吳 躍

(1. 中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東電力試驗(yàn)研究院， 合肥 230088；2. 大唐鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司， 合肥 230088)

鍋爐受熱面管包括水冷壁管、省煤器管、過熱器和再熱器管(簡稱四管)。四管泄漏是電廠鍋爐非正常停機(jī)最普遍的原因，一般占機(jī)組非正常停機(jī)事故的50%以上[1-2]。水冷壁是電站鍋爐主要的蒸發(fā)受熱面，在運(yùn)行中承受高溫、高壓、高熱負(fù)荷等惡劣的環(huán)境，容易發(fā)生吹損減薄、高溫腐蝕、超溫、堿腐蝕等導(dǎo)致水冷壁管泄漏，這是電廠非正常停機(jī)最常見的原因，也是困擾電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)難題[3-6]。鰭片是膜式水冷壁的重要組成部分，近年來膜式水冷壁因鰭片開裂而撕裂管子的事件時(shí)有發(fā)生[7-8]，因此研究鰭片及其焊接質(zhì)量對水冷壁運(yùn)行安全的影響具有非常重要的意義。

1 水冷壁泄漏

某600 MW超臨界機(jī)組正常運(yùn)行(負(fù)荷為550 MW)時(shí)，在冷灰斗處水冷壁爐左側(cè)墻向爐后方向延伸轉(zhuǎn)角位置(簡稱側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位)發(fā)生泄漏(見圖1)，泄漏點(diǎn)位于爐左向爐右數(shù)第9、10和11根管子上。

圖1 泄漏位置示意圖

筆者結(jié)合宏觀分析、金相組織檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)對水冷壁的失效原因進(jìn)行了深入分析，并提出相關(guān)建議。發(fā)生泄漏的水冷壁管及鰭片材質(zhì)均為15CrMo，管子外徑為38 mm、厚度為6.5 mm。

2 試驗(yàn)分析

2.1 宏觀分析

發(fā)生泄漏的水冷壁管宏觀形貌見圖2。

由圖2可得：第9根管子有2個(gè)泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)附近有明顯吹損減薄痕跡，其中鰭片焊縫熔合線處存在長約12 mm的裂紋，裂紋擴(kuò)展至第10根管子(已經(jīng)裂穿母材)；第10根管子存在1個(gè)直徑不到1 mm的泄漏點(diǎn)(位置A處)，泄漏點(diǎn)周圍存在呈凹坑狀的吹損痕跡；第11根管子存在長約8 cm的爆口，爆口邊緣鋒利且呈明顯外翻形態(tài)，為吹損減薄后爆破所致。綜合各泄漏點(diǎn)形態(tài)及吹損路徑分析，第10根管子的裂紋(位置C處)為第一漏點(diǎn)，其他泄漏點(diǎn)為泄漏蒸汽相互吹損所致。

對同機(jī)組冷灰斗其他相同結(jié)構(gòu)位置水冷壁管及鰭片焊縫進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)水冷壁側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位存在堆焊現(xiàn)象(見圖3)，該位置管子在機(jī)組基建安裝過程中，2根彎管中間由于間隙較小，無法加裝鰭片，施工人員直接用焊條在管子間隙處堆焊密封，但是焊接熱輸入過大，焊接成形質(zhì)量差。另外，其他部位管屏部分鰭片存在裂紋，裂紋沿管子軸向擴(kuò)展(見圖4)，但未擴(kuò)展到母材。

圖3 水冷壁側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位宏觀圖

圖4 鰭片縱向裂紋

2.2 金相檢驗(yàn)

在第10根管子裂紋位置切取金相試樣，試樣經(jīng)磨制拋光后，采用硝酸體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下觀察金相試樣的組織形態(tài)，結(jié)果見圖5。

由圖5可得：裂紋位置管子外壁存在堆焊層，熱影響區(qū)寬度約4 mm，裂紋從堆焊位置向內(nèi)壁擴(kuò)展并貫穿整個(gè)管壁，堆焊層存在魏氏體過熱組織，熱影響區(qū)為貝氏體，靠近熔合線附近存在魏氏體，母材為鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域完整，球化1～2級。堆焊層和熱影響區(qū)均為過熱組織，這是焊接熱輸入過大導(dǎo)致，也從側(cè)面反映出冷灰斗位置管子間隙處采用焊條堆焊密封時(shí)焊接工藝不合理，焊接質(zhì)量控制不佳。

2.3 硬度檢驗(yàn)

在第10根管子裂紋位置切取試樣，利用島津HMV-G21ST型顯微維氏硬度計(jì)，200 g載荷，10 s保載時(shí)間，進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果

由表1可得：第10根管子母材硬度符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求，而裂紋位置熱影響區(qū)硬度高于DL/T 438—2016的要求(15CrMo鋼管硬度合格范圍為125～170 HB)，且焊縫和熱影響區(qū)與母材存在較大硬度梯度，這是因?yàn)槔浠叶肺恢霉茏娱g隙處采用焊條堆焊密封后并未做熱處理，焊接接頭仍存在很大的組織應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。

3 綜合分析

3.1 制造安裝過程

水冷壁冷灰斗處側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位彎管之間由于間隙較小，無法加裝鰭片，一般直接用焊條堆焊密封，焊接不合理，焊接熱輸入過大。焊后不進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致堆焊層及焊縫熱影響區(qū)存在魏氏體等脆性組織；且堆焊層與管子母材存在較大硬度梯度，導(dǎo)致焊接接頭存在很大的焊接殘余應(yīng)力和組織應(yīng)力，降低了焊縫的熱強(qiáng)性和熱塑性，并一定程度削弱了側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位水冷壁管的抗疲勞性能。另一方面，采用焊條堆焊導(dǎo)致母材表面存在明顯的堆焊層(焊接成形質(zhì)量差)，也進(jìn)一步增加了側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位水冷壁管的應(yīng)力集中水平。

3.2 機(jī)組運(yùn)行

水冷壁側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位因結(jié)構(gòu)突變，導(dǎo)致該位置水冷壁管存在較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在目前的用電形勢下，600 MW超臨界機(jī)組也開始參與調(diào)峰，機(jī)組負(fù)荷波動頻繁，時(shí)常啟停，導(dǎo)致水冷壁管尤其是冷灰斗側(cè)墻轉(zhuǎn)角等結(jié)構(gòu)突變位置存在較大的熱應(yīng)力，在長期運(yùn)行中，鰭片角焊縫(堆焊層位置)也易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。

4 結(jié)語

通過宏觀分析、金相組織檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)對水冷壁的失效原因進(jìn)行了深入分析，檢驗(yàn)結(jié)果表明：冷灰斗側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位水冷壁彎管之間因間隙過小用焊條直接堆焊密封，焊接工藝不合理，堆焊層存在魏氏體等脆性過熱組織，降低水冷壁管抗疲勞性能。同時(shí)，側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位因結(jié)構(gòu)突變，存在較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在長期運(yùn)行的過程中，水冷壁管在焊接殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力等作用下于結(jié)構(gòu)突變部位堆焊焊縫熔合線位置產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展貫穿母材導(dǎo)致泄漏。鑒于以上失效原因，筆者建議電廠采用以下防治措施：

(1) 對冷灰斗其他相同結(jié)構(gòu)位置或其他應(yīng)力集中部位的水冷壁管鰭片及鰭片焊縫進(jìn)行全面排查后，發(fā)現(xiàn)鰭片焊接施工質(zhì)量問題，應(yīng)利用檢修計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化處理。

(2)對已發(fā)現(xiàn)鰭片裂紋(未擴(kuò)展至母材)，應(yīng)及時(shí)處理，防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

(3) 水冷壁鰭片焊縫宜用全氬焊接，采用小規(guī)范參數(shù)，嚴(yán)格控制預(yù)熱、焊接熱輸入等環(huán)節(jié)，避免焊道過熱。新增焊縫需要進(jìn)行100%無損檢測，無損檢測應(yīng)在焊縫充分冷卻后進(jìn)行，防止延遲裂紋產(chǎn)生。

(4) 加強(qiáng)機(jī)組檢修期間受熱面的防磨防爆檢查，重點(diǎn)關(guān)注水冷壁冷灰斗、水冷壁折焰角和人孔門結(jié)構(gòu)突變等區(qū)域，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。