周公文*

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 引言

2020 年，某600 MW 燃煤鍋爐運行時發(fā)現(xiàn)標高28 m 的某轉角處存在蒸汽泄漏現(xiàn)象，停機檢查后發(fā)現(xiàn)此處水冷壁管發(fā)生爆管泄漏。該水冷壁爆口附近的周界風風箱上存在一處泄漏點，泄漏點正對著該水冷壁管爆口處。水冷壁管材質為15CrMoG，規(guī)格為38 mm×6 mm，Cr 元素可與氧在鋼表面結合，形成致密的Cr2O3防護層，阻礙氧原子向鋼中進一步擴散，提高鋼的抗氧化性能。Mo 元素在鋼中起到固溶強化作用，可提高鋼的室溫、中溫強度和蠕變、持久強度，同時還可抑制鋼的熱脆性和回火脆性。因此，15CrMoG 低合金耐熱鋼具有良好的熱強性和組織穩(wěn)定性，在520 ℃以下具有較好的持久強度和抗氧化性能，可適用于金屬壁溫在520 ℃及以下的蒸汽管道、集箱，或550 ℃以下的受熱面管。15CrMoG 鋼管供貨狀態(tài)應是正火+回火，金相組織應為鐵素體+珠光體（或存在少量貝氏體），屬珠光體型低合金耐熱鋼材料。

本文通過宏觀檢查、化學成分分析、金相組織檢驗和硬度檢驗，分析了該水冷壁管發(fā)生爆管泄漏的主要原因，結合水冷壁管運行工況，找出水冷壁管發(fā)生局部區(qū)域嚴重減薄的原因，并給出相應的處理建議。

1 實驗過程和實驗儀器

對水冷壁管爆口部位進行宏觀檢查，并利用X射線熒光光譜儀復核水冷壁管的化學成分，在爆口位置取樣，經磨制拋光后，利用4%（質量分數(shù)，下周）硝酸酒精溶液浸蝕，采用PTI-5000 型金相顯微鏡觀測爆口金相組織形態(tài)，利用HBE-3000A 型臺式布氏硬度計，在187.5 kg 載荷作用下，加載時間為10 s，對金相試樣表面進行硬度試驗。

2 實驗結果和討論

2.1 宏觀檢查

處，根據(jù)爆口表面特征推測該水冷壁管爆管原因為周界風風箱泄漏點長期漏風直吹水冷壁管，造成水冷壁管局部區(qū)域壁厚嚴重減薄，當剩余壁厚不能滿足管內承載介質壓力時管道發(fā)生縱向撕裂。

2.2 化學成分分析

利用便攜式X 射線熒光光譜儀對該水冷壁管進行光譜復核，以確定水冷壁管材質是否存在錯用問題。表1 為該水冷壁管的化學元素成分，檢驗結果表明，該水冷壁管合金元素含量符合標準要求，元素含量未見異常。

表1 水冷壁管化學成分（原子數(shù)量百分比） %

2.3 金相組織檢驗

對水冷壁管爆口部位進行線切割取樣〔如圖1 b）標識線位置處〕，試樣經粗磨、細磨、拋光后，利用4%硝酸酒精溶液進行浸蝕，圖2 為該水冷壁管的金相組織形貌。檢驗結果表明，水冷壁管減薄面較為平整，表面未見氧化皮及其他異常組織存在，減薄面及爆口處組織為鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域完整，未見明顯球化現(xiàn)象，內壁部分區(qū)域存在少量較淺凹坑，管內壁、外壁及減薄面處均未見明顯腐蝕現(xiàn)象。

圖1 水冷壁管爆口處宏觀形貌

圖2 水冷壁管的金相組織形貌

2.4 硬度檢驗

采用HBE-3000A 布氏硬度計，對金相試樣進行布氏硬度檢驗。試驗結果表明：水冷壁管爆口處硬度值和基體硬度值相當，均符合標準要求，硬度值未見異常，如表2 所示。

表2 布氏硬度試驗結果

2.5 試驗結果分析與討論

水冷壁管爆口位置處管壁減薄嚴重，減薄深度接近管道壁厚。減薄面平整，未見明顯氧化皮、腐蝕產物及其他異常組織。爆口處及減薄處金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體未見明顯球化現(xiàn)象，硬度值也未見明顯異常。該水冷壁管發(fā)生爆管的原因為管壁局部區(qū)域產生嚴重的壁厚減薄現(xiàn)象，當減薄量接近管壁厚度時，剩余壁厚不能滿足管內介質運行壓力需求，在壁厚最薄部位發(fā)生韌性開裂。

經現(xiàn)場勘察，發(fā)生泄漏的水冷壁管附近周界風風箱存在泄漏點，泄漏點吹出的周界風長期直吹水冷壁管，造成管壁外表面金屬損失嚴重，當剩余管壁減薄至不能承載管內高壓蒸汽時，在減薄最嚴重部位發(fā)生縱向開裂。

3 結論

超臨界鍋爐為了確保煤粉充分燃燒，基本采用前后墻對沖燃燒方式，煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為一次風、周界風（或稱二次風）和中心風等。煤粉及一次風經煤粉管道、燃燒器一次風管、煤粉濃縮器噴入鍋爐爐膛進行燃燒，在燃燒器的一次風噴口周圍，通常布置周界風（或稱二次風），可冷卻一次風噴口，防止噴口燒壞或變形，同時利于煤粉火焰燃燒穩(wěn)定和煤粉的完全燃燒，增加一次風氣流剛度，防止氣流偏斜。一次風及周界風的風溫嚴重影響煤粉燃燒速度及燃燒熱量，通過提高煤粉氣流溫度和空氣溫度可提高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性，大型火力電站鍋爐煤粉氣流溫度一般為300 ℃左右，風溫溫度一般為350～420 ℃，一次風速一般為20 m/s。從風箱泄漏的高溫周界風在高流速狀態(tài)下直吹水冷壁管，造成金屬管壁嚴重減薄，從而引發(fā)水冷壁爆管。

該水冷壁管發(fā)生縱向開裂的原因是受臨近周界風風箱漏風點的長期吹蝕造成表面局部區(qū)域發(fā)生嚴重減薄，當剩余壁厚不能滿足承載蒸汽壓力要求時在最大拉應力的縱向部位發(fā)生開裂。建議在定期檢驗時重點檢查水冷壁管火焰噴嘴處、送風處及折焰角等易發(fā)生水冷壁管沖刷磨損位置，對可能接觸沖刷的水冷壁管區(qū)域進行必要的防護處理，確保鍋爐安全運行。