張叢生，史 丹，王宏濤

(高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司)，哈爾濱 150046)

0 引 言

水冷壁是電站鍋爐最主要的受熱部件之一。一般布置于鍋爐爐膛的四周，緊貼爐墻形成整體密閉空間，接受爐內火焰和高溫煙氣的熱輻射。鍋爐水冷壁的主要作用在于利用煤粉燃燒產生的熱量加熱水冷壁中的傳熱工質，工質在吸收熱量后由水逐漸變?yōu)槠旌衔?；同時水冷壁可吸收煙氣熱量，防止煤渣的高溫結焦，提高鍋爐安全運行的可靠性。因此，鍋爐水冷壁材料的性能好壞對于鍋爐能否安全和有效運行至關重要。該文通過對某電廠鍋爐運行期間后墻水冷壁的爆管泄漏樣管進行失效分析，分析造成泄漏的根本原因[1]。

1 試驗分析

1.1 宏觀檢查

樣管原始形貌如圖1所示，爆口位于樣管向火側焊縫處，爆口呈喇叭口狀，爆口長約11 mm，開口寬度約3 mm，爆口處可見輕微脹粗，爆口附近可見多條平行于爆口的縱向裂紋。樣管對接焊縫內外表面未見明顯的焊接缺陷，如圖2所示。樣管向火側整管段均可見不同程度脹粗變形，樣管向火側外表面覆蓋有較厚的紅褐色氧化層，最外層氧化層有剝落痕跡。樣管背火側未見脹粗變形，樣管背火側外表面可見致密的黑色氧化膜，未見紅褐色氧化層，未見裂紋等缺陷。

圖1 樣管爆口形貌

圖2 樣管對接焊縫形貌

1.2 化學分析

在樣管上分別取2101-1、2101-3化學分析試樣，采用OBLF QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，分析結果見表1。結果顯示，樣管母材的化學成分含量(質量分數)均符合GB/T 5310—2017標準對15CrMoG的規(guī)定。

表1 樣管母材化學成分分析結果

1.3 硬度檢測

在樣管上分別取2101-1、2101-3、2101-4、2101-5試樣進行布氏硬度試驗，試驗結果見表2。

表2 樣管硬度檢測結果

結果表明，樣管背火側母材的硬度值和遠離爆口處向火側母材的硬度值符合GB/T 5310—2017標準對15CrMoG的規(guī)定，靠近爆口處2101-3試樣向火側母材的硬度值高于標準值。樣管背火側對接焊縫的硬度值符合DL/T 869—2012標準的規(guī)定，向火側對接焊縫的硬度值低于母材硬度的90%，不符合DL/T 869—2012標準的規(guī)定[2]。

1.4 金相組織分析

在樣管上分別取2101-1、2101-3、2101-4、2101-5試樣進行金相分析，對試樣進行磨制和拋光，采用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，觀察顯微組織形貌，2101-3、2101-5試樣金相分析異常顯微組織形貌如圖3～4所示。

圖3 2101-3 試樣向火側微觀形貌

由顯微組織檢驗結果可知，樣管背火側母材和遠離爆口處向火側母材的顯微組織和晶粒度符合GB/T 5310—2017標準對15CrMoG的規(guī)定，樣管靠近爆口處 2101-3試樣向火側的顯微組織發(fā)生了相變，顯微組織為貝氏體+鐵素體，如圖3所示。樣管背火側對接焊縫的顯微組織為貝氏體+鐵素體，可見柱狀晶形貌，屬正常的焊縫組織；對接焊縫向火側2101-5試樣的顯微組織發(fā)生了相變，顯微組織為鐵素體+珠光體，柱狀晶形貌已完全消失[3]，如圖4所示。

圖4 2101-5試樣向火側微觀形貌

2 綜合分析

1)由試驗結果可知，樣管母材的化學成分、顯微組織、晶粒度及背火側硬度值符合GB/T 5310—2017標準對15CrMoG的規(guī)定。樣管上背火側對接焊縫的硬度值符合DL/T 869—2012標準的規(guī)定，背火側對接焊縫的顯微組織形貌符合15CrMoG同種鋼焊縫顯微組織特征。

2)由樣管的宏觀觀察結果可知，樣管上爆口位于向火側，爆口呈喇叭口狀，爆口處有輕微脹粗，爆口宏觀形貌符合長時超溫爆口的典型特征。

3)由樣管的硬度試驗結果可知，樣管遠離爆口的2101-1試樣向火側硬度值較背火側硬度值略有降低，樣管向火側對接焊縫硬度值較背火側焊縫硬度值明顯降低，樣管靠近爆口的2101-3試樣向火側硬度值較背火側硬度值顯著升高。由此可知，樣管整管段向火側的硬度值均發(fā)生了改變[4]。

4)由金相分析結果可知，樣管靠近爆口處試樣向火側的顯微組織發(fā)生了相變，向火側顯微組織由原始鐵素體+珠光體+貝氏體轉變?yōu)樨愂象w+鐵素體，該顯微組織與硬度試驗結果相匹配。樣管向火側對接焊縫的顯微組織也發(fā)生了相變，對接焊縫的顯微組織由原始貝氏體p+鐵素體轉變?yōu)殍F素體+珠光體，柱狀晶形貌也已完全消失。

根據以上檢測結果分析，樣管爆口位于向火側焊縫處，焊縫未見明顯缺陷，爆口呈喇叭口狀，爆口處有輕微脹粗，樣管整管段向火側均有不同程度的脹粗變形；靠近爆口處樣管向火側母材顯微組織發(fā)生了相變、硬度升高。由以上分析結果判斷，樣管向火側發(fā)生長時超溫。由此推斷，樣管在鍋爐運行期間發(fā)生了長時超溫，使樣管向火側局部區(qū)域顯微組織發(fā)生相變，性能下降，導致爆管[5]。

3 結 語

綜上所述，樣管發(fā)生爆管的原因為長時過熱，在鍋爐運行期間樣管發(fā)生過超溫。推測發(fā)生超溫的運行因素：

1)鍋爐水冷壁管屏局部存在堵塞，導致樣管內工質流量嚴重不足，引起樣管管壁超溫；

2)鍋爐爐內燃燒偏差嚴重，導致局部水冷壁管屏發(fā)生超溫。