600mw超临界电站锅炉大包内水冷壁管泄漏原因分析

2019.10 EPEM 99
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引言某
电厂1号机组采用hG-1964/25.4-YM17型超临界压力直流锅炉，锅炉为π型布置、单炉膛、平衡通风、固态排渣、一次中间再热、全钢架全悬吊
结构，采用四角切圆燃烧方式。

锅炉的过热蒸汽流量为1964t/h，过热蒸汽出口压力为25.4Mpa，过热蒸汽温度为571℃，再热蒸汽出口压力为4.916Mpa，再热蒸汽温度为569℃。

该机组于2012年12月投入商业运行，在2017年4月14日运行过程中，炉顶大包内左墙水冷壁管发生泄漏并爆管，导致机组停运，停运时该机组累计运行小时数为3.1万小时。

为确保机组正常运行，避免泄漏或爆管情况再次发生，因此对现场泄漏位置进行检查分析。

利用宏观及微观的检测方法对泄漏原因进行具体分析，根据检测结论提出有效的措施及方案，为避免类似事故的发生提供借鉴。

1 缺陷概况及分析
1.1 泄漏位置
该锅炉水冷壁为膜式水冷壁，其中、下部与冷灰斗区域采用螺旋上升管屏，上部采用垂直上升管屏，共计313×4根。

上部垂直水冷壁管规格为Φ31.8×6.2mm，材料为15CrMoG，节距为57.5mm ；鳍片材料为15CrMo，厚度为6mm ；炉顶水冷壁上集箱规格为Φ273×60mm，材料为
600MW 超临界电站锅炉大包内水
冷壁管泄漏原因分析
中国特种设备检测研究院锅炉事业部 施 超 刘 杰 袁啓正 杨白冰
摘要：对某电厂600MW超临界电站锅炉大包内水冷壁泄漏原因进行分析，通过现场泄漏概况检查、金相检测、扫描电镜检查及EDS能谱分析等方法，对水冷壁泄漏原因进行了研究。

为防止类似事故发生，提出了相关的意见及建议。

关键词：超临界锅炉；水冷壁管；泄漏概况；扁铁拉裂
15CrMoG。

前后墙水冷壁上集箱各为一个集箱，左
右侧墙水冷壁上集箱各分为炉前、炉后两个集箱。

图1为水冷壁泄漏及爆管位置，该位置位于左墙水冷壁的炉前、炉后上集箱交界处，泄漏点位于上集箱下方约450~600mm 范围内。

图2为图1中泄漏点所处的泄漏管段，泄漏区域位于向火侧。

其中，#7管为初始泄漏管，#5、#6、#7和#8管均存在管壁被蒸汽吹损减薄的情况，#6和#7管最为严重并出现爆管情况。

1.2 宏观形貌及分析
经现场检查发现，#7号管上部长约200mm 的管段以扁铁作为鳍片，采用了单面焊接，仅在背火进行了焊接。

向火侧由于扁铁未焊接且未能圆滑过渡，导致出现了形状突变。

而且由于背火侧扁铁焊缝位置未开剖口，其焊缝根部还存在未熔合、未焊透的情况，导致出现了尖锐缺口。

对#7管进行割管检查发现，其扁铁处裂纹形貌如图3所示。

图3a 为
#7号管炉后侧扁铁上端部发现
图1 水冷壁泄漏及爆管位置 图2 水冷壁泄漏管排（向火侧）
100 EPEM 2019.10
的横向裂纹，裂纹倾斜扩展至扁铁焊缝后，继续沿焊缝根部向下扩展至扁铁下端部。

图3b 为扁铁上端部附近的管子横截面，裂纹由焊缝根部缺口扩展至管材后，继续周向扩展至焊缝背火侧，裂纹最深处约1.5mm，并且该裂纹还存在约1mm 长的纵向二次裂纹。

图3c 为图2初始泄漏点附近的管子横截面，裂纹由扁铁焊缝根部缺口扩展至管材，但扩展方向逐渐由周向变为径向且贯穿整体管壁，实际割管检查发现#7管大约有100mm 管段存在穿透管壁的纵向贯穿裂纹，这也是导致水冷壁泄漏的直接原因。

图3d 为扁铁下端部附近的管子横截面，裂纹的产生及扩展类似于图3c 内的裂纹，但此裂纹未穿透管壁。

图3e 为邻近扁铁下端位置，由锅炉厂组焊的膜式鳍片管，采用双面焊，鳍片侧采用未焊透结构，由图显示在应力作用下，焊缝未焊透位置出现了沿管外圆周向扩展的裂纹。

对#6管进行割管检查发现，管子横截面上存在与#7号管类似的裂纹，但裂纹尚未穿透管壁，从而未发生泄漏。

对#3和#4管割管检查发现，水冷壁管与扁铁的连接焊缝均存在周向裂纹，由焊缝根部（向火侧）沿管子外圆周方向扩展，但未伤及管材。

其中，
#3管的裂纹已穿透扁铁焊缝，如图4所示。

a 扁铁端部裂纹
b 扁铁上端部附近
c 初始泄漏点附近
d 扁铁下端部附近
e 焊缝未焊透衍生裂纹
图3 #7管横截面宏观形貌
图4 #3管扁铁焊缝裂纹
与初始泄漏管#7管一致，泄漏管#3~#8均采用厚度为6mm 的扁铁作为鳍片，均为单面焊，且焊缝根部均存在局部未焊透、未熔合造成的缺口，部分对接焊口还存在折口现象，由此推断安装过程中存在强力对口现象。

泄漏位置的管排还存在管间节距不均匀的现象，实测最大节距为65mm，远大于设计要求的57.5mm。

根据上述分析可知，由于焊接质量较差，焊缝根部存在未焊透、未熔合等缺陷，致使焊缝根部形成薄弱缺口；安装过程中的强力对口也容易导致应力集中；管间节距的不均匀，也造成水冷壁与扁铁的受热、散热不均，过大的间距也容易造成扁铁与水冷壁存在较大的温度偏差及不均匀的热膨胀，从而使得热应力过大。

以上因素作用下，使得裂纹的产生及扩展，最终导致水冷壁泄漏及爆管。

2 组织检查
对#7管切取2个管子横截面作为检测试样，其中试样①管材内部裂纹已贯穿管壁，试样②管材内部裂纹未贯穿管壁。

图5为试样①裂纹金相图。

其中，图5a 显示扁铁焊缝根部裂纹由焊缝根部缺口扩展至管材内部，裂纹两侧金属被腐蚀产物所覆盖，有少量的二次裂
纹，裂纹以沿晶发展为主；图5b 显示内壁侧裂纹有多条穿晶裂纹，裂纹主要垂直于内壁，其中一条与源于外壁的主裂纹连通，裂纹内也有灰色腐蚀产物；图5c 显示管材中部裂纹是内外壁两侧裂纹的快速连通阶段，由于内、外壁裂纹导致管壁有效壁厚大幅
减少，此时管材应力大，从而引发裂纹快速发展并导致附近晶粒拉长变形。

对裂纹附近的管材进行金相检测，结果如图6所示。

据图可知，珠光体区域完整，球化不明显，按照DL/T 787-2001《火电厂用15CrMo 钢珠光体球化评价标准》评定为球化2级，故可以推断水冷壁管材无明显的过热情况[1]。

试样②取自扁铁下侧附近的管材，此位置的裂
a 焊缝根部裂纹
b 内部侧裂纹
c 中部裂纹
图5 试样①裂纹金相图
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纹未穿透管壁。

图7为试样②中裂纹端部的金相组织图。

根据图7可知，裂纹处于焊接接头管材侧热影响区的细晶区内，内部充满灰色的腐蚀产物，裂纹端部呈圆钝状。

3 扫描电镜（Sem）检查
利用扫描电镜（SEM）对试样②进行检查，测点位置为图7中的裂纹端部，检测结果如图8所示。

图中裂纹附近的晶界上分布大量的蠕变孔洞，孔洞的分布具有一定的方向性，大致平行于裂纹扩展方向，部分孔洞在晶界形成链状，有些已经连接成为晶界微裂纹。

4 能谱（edX）成分分析
分别对图7中裂纹端部和中部内的灰色腐蚀产物进行能谱（EDX）成分分析，检测结果如表1、表2。

根据检测结果可知，腐蚀产物成分主要为Fe 和O 以及少量的S 等元素。

根据Fe 和O 的原子比例，推断腐蚀产物的主要成分是Fe 3O 4[2,3]。

图6 裂纹附近金组织图
图7 裂纹端部金相组织图
图8 裂纹端部扫描电镜图
表1 裂纹中部内的灰色腐蚀产物成分
5 试验结果分析
5.1 裂纹发展过程分析
根据上文可知，裂纹首先产生于#7管炉后向火侧扁铁的上端部，随后裂纹不断扩展至扁铁接水冷壁管的焊缝。

裂纹一方面沿向火侧的焊缝根部由上而下发展，另一方面以根部裂纹为源点向管材内部扩展。

扁铁上端附近管材。

裂纹由焊缝根部缺口进入管材后，大致周向发展至焊缝背火侧，如图3b 所示，在裂纹进入壁厚最深处（管材有效壁厚最小的位置）萌发径向二次裂纹。

此处主裂纹在管材内以周向扩展为主，未导致水冷壁管泄漏。

初始泄漏点附近管材。

裂纹顺着扁铁焊缝根部指向内壁的尖锐缺口，取向由外壁往内壁扩展，如图3c 所示。

在外壁裂纹扩展延伸的同时，内壁也衍生出多条径向疲劳裂纹，如图5b 所示。

在应力作用下，其中一条裂纹最终与管子内壁贯通。

其中，在内、外壁径向裂纹连通的最后阶段，由于管材的有效壁厚减少比较多，导致应力超过管材的屈服强度致使裂纹两侧晶粒呈现明显的拉长变形，如图5c 所示。

扁铁下端的偏上管材。

此处裂纹扩展速度减缓，未能穿透管壁，但由于管材有效壁厚减少比较多，加上裂纹尖端的应力集中效应，在裂纹端部附近的晶粒运行时承受较大的应力。

而且水冷壁出口段的壁温接近500℃，超过管材的蠕变温度。

在较大应力
的作用下，此处沿晶产生了大量的蠕变孔洞，部分孔洞已互相连接形成沿晶裂纹。

邻近扁铁下端的鳍片膜式管。

扁铁下端的排管是在锅炉厂组焊的，管子与鳍片采用双面焊接，因此向火侧与背火侧的焊缝具有足够的强度。

但由于焊缝存在未焊透，在应力作用下，未焊透两端衍生了裂纹并沿管外圆周扩展，如图3e 所示。

5.2 外壁裂纹成因分析
5.2.1 热膨胀差
在出厂设计中，#1锅炉左、右侧墙水冷壁上集箱为一个整体大集箱。

锅炉在此设计下运行时，水冷壁上集箱管座角焊缝和水冷壁管鳍片上端部多次发生裂纹。

经多方分析认为，水冷壁管排及其上集箱在锅炉启动、运行和停炉过程中的某一阶段存在较大的温差，二者热膨胀量相差较大，且左、右侧墙上部无鳍片的水冷壁管段过短（约450mm），从而导致上集箱管座角焊缝和鳍片上端部附近管材承受过大的弯曲应力，进而横向拉裂集箱管座角焊缝和鳍片端部相接的管材，轴向拉裂水冷壁管和鳍片的连接焊缝。

因此，电厂采取将左、右侧墙上集箱一分为二的措施，分割点取在集箱中部位置，如图1所示。

分割后各集箱长度变为原来的一半，且给与一定的膨胀空间，但由于管排和上集箱的温差并未消除，热膨胀差依旧存在，导致集箱两端的接管管座角焊缝、鳍片与管子的连接焊缝依旧承受额外的应力。

5.2.2 单面焊
左侧墙水冷壁的扁铁与管材焊接时，未按照技术要求采用双面焊接，仅在背火侧进行单面焊接，且扁铁未开坡口，导致向火侧扁铁与管壁间无焊缝加强，并出现了形状突变和焊缝根部缺口。

向火侧焊缝强度明显弱于背火侧，且根部还存在应力集中。

由此，导致扁铁焊缝在根部被拉裂，并且裂纹向管壁内扩展。

5.2.3 焊缝根部缺口取向
焊缝根部缺口会产生应力集中，由于裂纹的扩展遵循应力最大原则，所以缺口的取向是引导裂纹进入管材内部扩展还是沿管外圆周向扩展的关键，如图3c及图4所示。

由于水冷壁管排和上集箱之间存在膨胀差、扁铁焊缝采用单面焊接，导致焊缝根部由上至下被拉裂，焊缝根部缺口引导裂纹进入管材。

随着裂纹逐步深入，水冷壁管壁的有效厚度不断减少，内压引起的环向工作应力随之增加，其对管材内裂纹扩展的影响程度逐渐加强最终占据主导作用，致使水冷壁管材前期裂纹萌生径向二次裂纹。

后期，主导裂纹由横向转为径向并笔直向内壁扩展，并引起附近的晶粒变形和沿晶蠕变孔洞的产生。

锅炉厂组焊的管排虽然在靠近扁铁下端的位置为双面焊接，但由于受膨胀差的影响，焊缝内部的未焊透两端也出现沿管壁外圆周的裂纹。

5.2.4 氧化及腐蚀
图5a和图6显示裂纹内存在灰色的腐蚀产物，尤其是图6裂纹内部充满腐蚀产物，端部呈圆钝状。

由于裂纹处于向火侧且由外壁向内壁发展，与高温烟气相通，裂纹撕裂管壁后裸露出的管材金属在接触到高温烟气时，易于发生氧化腐蚀。

对腐蚀产物的成分分析表明管材主要发生高温氧化作用，故在高温氧化腐蚀作用下，裂纹进一步扩展。

5.2.5 强力对口
在两个左侧墙上集箱交界处附近，接管还存在强力对口现象，由此增加管子及其鳍片承受的应力。

6 结论及建议
经过综合分析，1号机组水冷壁左侧墙上集箱水冷壁管产生裂纹并发生泄漏的原因为：连接扁铁的焊缝采用单面焊接并存在焊接缺陷；上集箱与管排之间存在较大膨胀差；烟气高温氧化腐蚀和焊接的强力对口促进裂纹的扩展。

虽然扁铁下端的鳍片采用双面焊接，加强了焊缝强度，但是集箱与管排间的膨胀差并未消除，管材仍存在拉裂的风险，故提出以下建议：
水冷壁侧墙上集箱加装壁温测点。

在水冷壁侧墙上集箱加装壁温测点，并在锅炉启动、正常运行和停炉过程中，与水冷壁上部管排的壁温测点进行比较分析。

通过监测二者的温度情况，确定二者出现较大温差时的阶段，以此分析确认原因并采取相应处理措施，以消除膨胀差的影响。

定期检查侧墙上集箱管座角焊缝和水冷壁管排的鳍片焊缝。

在检修期间，建议电厂重点检查两个侧墙上集箱各端部的管座角焊缝及管排鳍片与水冷壁连接焊缝的端部是否存在裂纹，以防止裂纹扩展至管材内部，避免发生管子泄漏及爆管情况。

参考文献
[1]DL/T 787-2001火电厂用15CrMo钢珠光体球化评价标准[S].
[2]刘爽,胡新芳,刘蕊.锅炉水冷壁管内壁腐蚀泄漏原因分析及处理[J].腐蚀与防护,2014,35(05):528-531.
[3]郑准备,李秀广,杨占君,郝朋刚.火电厂330 MW锅炉水冷壁管泄漏原因分析[J].热加工工艺, 2017,46(17):255-256+260.
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