超临界锅炉水冷壁管泄漏失效分析

    概况

    某电厂超临界锅炉为参数变压直流本生型600MW锅炉，一次再热，单炉膛，尾部双烟道结构，采用挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，露天布置。燃用晋南、晋东南地区贫煤、烟煤的混合煤种。锅炉主要参数如下表1所示。

该锅炉于2004年开始运行168小时后，发现标高60.4m一水冷壁弯管向火面泄漏，裂缝很窄，长约20mm。其水冷壁管材质为T12，规格为Φ31.8×9.1mm，运行压力为27MPa，蒸汽温度为415℃。

1、宏观检查

    管段分上弯、直管和下弯三部分，裂缝位于下弯外弧面，周围有树纹状龟裂特征。其中上、下弯暴露于烟气中而直管段埋于炉墙中，裂缝周围有渣垢层附着以及烟气磨擦痕迹。其整体宏观形貌如照片1所示，裂缝局部形貌如照片2所示。

2、管子外径和壁厚测量

   对管子的裂缝鼓包处、直管段中间和上弯头（靠近直管段）所取金相样进行外径和壁厚尺寸测量，结果列于表2。

从以上结果可以看出：直管段和上弯头外径和壁厚差异不大，而裂缝鼓包处向火—背火侧外径鼓包胀粗严重，胀粗率已达21%，同时其壁厚已减薄到1.7mm。

3、试验分析

3.1 金相试验

在管子的裂缝处、直管段（靠近下弯头）和上弯头（靠近直管段）分别切取一高约15mm 的环样进行金相试验，分别标记为1、2 和3号样。结果表明：

1）1、2和3号样均发现有球状氧化物夹杂物，级别评定为2~3级。参见照片3；

2）1号样向火面爆口处晶粒明显变形拉长且晶粒位向明显不同于基体组织，爆口尖端侧面及晶粒间有氧化皮特征。背火面组织未发生变形，组织为铁素体和珠光体，且有一定量的碳化物弥散分布于晶内。参见照片4~照片6；

3）2号样向火面、背火面组织无明显差异，组织为铁素体和珠光体，也有一定量的碳化物弥散分布于晶内。组织形貌示于照片7；

4）3号样向火面和背火面组织有明显差异，组织均为铁素体和珠光体，但向火面部分珠光体已在晶界聚集球化，球化级别可评定为3级，而背火面则没有球化迹象。参见照片8和9。

从以上结果可以看出：1号和3号样品组织老化程度较2号样严重，1号样爆口处已经明显相变，3号样品的向火面组织和背火面组织有明显的差异。

3.2 显微硬度测量

对1、2和3号管样分别进行显微硬度（HV）测量，结果如下：

#2：361.9 HV

#1爆口处：433.6 HV

#1背火面：396.3 HV

#3向火面：325.2 HV

#3背火面：426.4 HV

显微硬度测量结果表明：#1样品爆口处显微硬度值最高，#1样品背火面和#3样品背火面的显微硬度值高于#2样，#3样品的向火面显微硬度低于其背火面而且低于#2样品。#1样的显微硬度高是由于组织相变及晶粒严重变形导致的形变硬化，#3样品向火面的显微硬度低表明其向火面损伤相对严重。

4、分析与讨论

    管子宏观爆口特征与长时过热特征比较相似，裂缝开口较窄周围有树纹状龟裂特征。但管子仅运行168 小时即泄漏，是属于长期过热、短时过热还是制造质量问题？

1）金相检验发现管样有球状氧化物夹杂物，其级别为2~3 级，夹杂物偏高与管子失效没有直接关系。

2）上弯管向火面组织已明显老化，珠光体球化可评为3 级，这表明管样老化速率过快，运行时明显处于过热状态，但超温幅度不是很高，未超过T12 钢的AC1点（745℃）。

3）爆口处晶粒明显变形拉长，组织为铁素体和珠光体，爆口尖端侧面及晶粒间有氧化皮特征，而背火面组织未发生变形，组织正常。爆口处组织晶粒位向已经明显不同于背火面组织，发生了明显的相变。

综上所述，爆漏在烟气处的管子组织老化过快，管子明显有过热现象，但导致管子泄露原因应属于非正常工况导致的短时超温。管子向火面泄露部位在短时间内温度过高，已超过T12 钢的AC1点（745℃），短时超温导致材料强度急剧下降而发生泄露。锅炉管的短时超温爆管，通常由一次或多次严重超温发生钢管胀粗管壁减薄而爆管。造成管壁短时向内严重超温，原因可分为管内冷却工质流量减少或中断和管外烟气超温。通常由以下情况引起锅炉管短时超温爆管：

1) 管内汽水通道堵塞；

2) 锅内冷却工质循环被破坏，或低水位；

3) 上游炉管损坏，使管内冷却工质减少或中断；

4) 炉内燃烧过量或不稳定。

因此应加强对以上各项的监督检验以预防爆管的再次发生。