某电站锅炉在运行过程中水冷壁发生爆管泄漏。为找出水冷壁爆管原因，利用宏观检查、化学成分检测、金相显微组织分析及力学性能分析等方法对爆漏的水冷壁进行了全面的试验分析。

 

1、概述

某锅炉型号为DG2068/29.3-Ⅱ15型高效超超临界参数变压直流锅炉，一次中间再热，单炉膛，前后墙对冲燃烧方式，尾部双烟道结构，采用挡板调节再热汽温，平衡通风，紧身封闭布置，固态干排渣，全钢构架，全悬吊结构，Π型布置锅炉。

该锅炉于2023年1月投产运行，主要技术参数见表1。

锅炉炉膛四周为全焊式膜式水冷壁，炉膛由下部螺旋盘绕上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁两部分不同的结构组成，两者间由过渡段水冷壁和水冷壁中间过渡集箱连接。螺旋水冷壁前墙、两侧墙出口管全部抽出炉外，抽出炉外的所有管子均进入螺旋水冷壁出口集箱，由若干根连接管引入炉两侧的两个混合集箱混合后，由若干根连接管引入到垂直水冷壁进口集箱，由垂直水冷壁进口集箱拉出三倍于引入螺旋管数量的管子进入垂直水冷壁，垂直管与螺旋管的管数比为3:1。

 

2023年8月某日，锅炉炉膛压力由-81 Pa突然增大至255 Pa，给水流量由1862 t/h升至2005 t/h，给水流量高出主蒸汽量约111 t/h，同时四管泄漏多点越限报警，就地检查四管泄漏11点处有明显泄漏异音。

 

第二天机组停运临修，现场检查发现左侧墙过渡段水冷壁标高58.5 m处螺旋水冷壁出口垂直段管子（炉后数第48根）及相邻后侧2根垂直水冷壁发生爆管泄漏。爆管的螺旋段水冷壁出口垂直段管段的材质为12Cr1MoVG，规格为Φ38.1×7.0 mm；垂直段水冷壁管的材质为12Cr1MoVG，规格为Φ31.8×7.0 mm。

 

为了找出锅炉水冷壁爆管泄漏原因，确保机组的安全稳定运行，对锅炉爆漏的水冷壁管段取样进行综合性失效原因分析。

 

2、试验内容及结果

1、宏观检查

 

结合现场勘察对爆管锅炉炉膛左侧墙爆漏的水冷壁管段进行宏观形貌检查，如图1所示。可以看出，水冷壁的爆漏点位于左侧墙标高58.5 m处螺旋水冷壁出口垂直段管段（炉后数第48根）及相邻后方2根垂直水冷壁管。

3根爆漏管段中，炉后数第48根螺旋水冷壁出口垂直段管段上的爆口位于钢管向火侧中间、整体沿轴向分布。爆口开口较大、呈“喇叭”状，长约40 mm，宽约28 mm；爆口处管径胀粗、爆口边缘减薄明显，钢管内壁未见明显结垢及腐蚀损伤，具有较为明显的短时过热致爆漏的宏观特征。

 

该管下方另一处小爆口及其后2根相邻垂直段水冷壁管段上的4处爆口均为该短时过热爆口泄漏介质吹损所致。

 

（a）现场形貌

 

（b）爆漏点整体形貌

 

（c）炉后数第48根水冷壁管段上第一爆漏点

图1 标高58.5 m处螺旋水冷壁出口垂直段爆漏点的现场形貌及宏观形貌

 

现场对左侧墙炉后数第48根螺旋水冷壁管段进一步进行排查，在标高57.9 m处距离标高58.5 m漏点处的管路长度约3m部位发现后数第47、48根两根螺旋段水冷壁管段的对接接头及附近母材均存在泄漏点。

 

其中第47根水冷壁管段对接焊缝上的漏点位于向火侧中间位置、沿周向分布，开口细长，长约5 mm的细小裂口；该部位未见管径胀粗，泄漏点外壁未见严重减薄。与该泄漏点相对的第48根螺旋水冷壁管对接焊缝及附近母材上存在3处尺寸较大的泄漏点，漏点附近钢管外壁存在明显的吹损减薄特征，管径未见胀粗，如图2所示。

 

图2 标高57.9 m处螺旋水冷壁管段泄漏点宏观形貌

 

2、化学成分分析

 

用ARL EASYSPARK型台式直读合金分析仪对爆漏的水冷壁螺旋管段、垂直管段及螺旋段水冷壁管对接焊缝填充的熔敷金属分别取样进行化学成分检测，结果见表2和表3。

 

 

 

从表2可以看出，水冷壁螺旋段及垂直段12Cr1MoVG钢管的主要合金成分与标准GB/T 5310—2017对12Cr1MoVG材质的要求相一致。

 

从表3可以看出，水冷壁螺旋段钢管对接焊缝填充的熔敷金属的主要合金成分符合标准DL/T 869—2021对TIG-R31焊丝的化学成分要求。

 

3、金相分析

 

对标高57.9 m位置的2根螺旋水冷壁管段及标高58.5 m处的2根螺旋水冷壁出口垂直管段和3根垂直水冷壁管段等共计7根水冷壁管及对接接头分别取样进行金相分析。

 

对于标高57.9 m位置的2根螺旋段水冷壁管，炉后数第47根水冷壁管对接焊缝处泄漏点位于焊缝中间部位，为贯穿焊缝壁厚的单条直道裂纹。该焊缝只焊接了打底层和盖面层两层，且盖面层的柱状晶晶粒粗大，焊缝根部内凸超标，如图3(a)所示。

 

裂口尖端的组织中晶粒未见拉长畸变，裂纹呈沿晶分布，焊缝盖面层组织为晶粒粗大的板条状马氏体，具有较为典型的焊接冷裂纹特征。

 

钢管母材的组织为等轴状均匀分布的铁素体+珠光体，珠光体区域形态清晰，呈聚集形态，碳化物呈片层状，未见明显球化；内壁未见明显的氧化皮、脱碳层以及晶界氧化裂纹和蠕变裂纹。

 

图3 标高57.9 m炉后第47根螺旋水冷壁管泄漏点金相组织

对于标高57.9 m位置炉后数第48根水冷壁管，其对接焊缝处泄漏点位于近熔合区部位，焊缝中未见裂纹等缺陷。该焊缝也只焊接了打底层和盖面层两层，且盖面层的柱状晶晶粒粗大，如图4(a)所示。

 

泄漏点尖端的组织未见拉长畸变，焊缝盖面层的组织为晶粒粗大的板条状马氏体。水冷壁管母材的组织等轴状均匀分布的铁素体+珠光体，珠光体区域形态清晰，呈聚集形态，碳化物呈片层状，未见明显球化；钢管内壁未见明显的氧化皮、脱碳层以及晶界氧化裂纹和蠕变裂纹等缺陷；具有较为明显的泄漏介质吹损减薄致泄漏特征。

 

图4 标高57.9 m炉后第48根螺旋水冷壁管泄漏点金相组织

对于标高58.5 m位置的2根螺旋水冷壁出口垂直管段及3根垂直水冷壁管段，炉后数第48根水冷壁管的大爆口处尖端的组织为铁素体+珠光体，晶粒发生明显的拉长畸变，近爆口处的组织中珠光体2.5级球化，钢管内壁形成轻微的氧化层，具有典型的短时过热爆漏的微观组织特征，如图5所示。

图5 标高58.5 m处炉后数第48根螺旋水冷壁出口垂直管段爆口处的金相组织

对于标高58.5 m位置的炉后数第49根和第50根垂直水冷壁管，其爆口尖端的组织为铁素体+珠光体，晶粒未见明显的拉长畸变，近爆口处的组织中珠光体未见明显球化，钢管内壁未见明显的氧化层，具有吹损致泄漏的微观组织特征，如图6和图7所示。

 

图6 标高58.5 m炉后数第49根垂直水冷壁管段漏点处的金相组织

 

图7 标高58.5 m炉后数第50根垂直水冷壁管段漏点处的金相组织

 

对于标高58.5 m位置的炉后数第47根垂直水冷壁管和第51根螺旋水冷壁出口垂直段钢管，其表面吹损部位的组织为铁素体+珠光体，晶粒未见明显的拉长畸变，近爆口处的组织中珠光体未见明显球化，钢管内壁未见明显的氧化层，如图8和图9所示。

 

图8 标高58.5 m炉后数第47根垂直水冷壁管段漏点处金相组织

 

图9 标高58.5 m炉后数第50根垂直水冷壁管段漏点处金相组织

4、力学性能测试

 

对爆漏的水冷壁管段母材及对接焊缝取样进行硬度性能测试，结果见表4。可以看出，水冷壁钢管母材的硬度符合标准DL/T 438—2016对12Cr1MoVG管材的硬度要求；焊缝的硬度则远高于DL/T 869—2021对12Cr1MoVG焊缝的硬度要求的上限。

 

 

 

 

3、综合分析评价

从爆口形貌分析，锅炉炉膛左侧墙水冷壁在标高57.9 m处炉后数第47、48根两根螺旋段水冷壁管段的对接接头焊缝处均存在较小泄漏点，该位置距离标高58.5 m处漏点的管路长度约为3 m。

 

其中第47根管段对接焊缝向火侧中间位置存在一处沿周向分布的长约5 mm的细长裂口，漏点外壁减薄较少。与该泄漏点相对的第48根螺旋水冷壁管对接焊缝及附近母材部位存在3处尺寸略大的泄漏点，外壁吹损减薄严重。

 

标高58.5 m处螺旋水冷壁出口垂直段上的大爆口位于钢管向火侧中间部位，爆口开口较大、呈"喇叭"状，爆口处管径胀粗、爆口边缘减薄明显；该管下方存在另一处小爆口，其后2根相邻垂直段水冷壁管段上存在3处小漏点。

 

综合以上不同标高位置各水冷壁管爆口的形貌特征认为，标高57.9 m处炉后数第47根水冷壁管对接焊缝上的细长裂口应为初始泄漏点，其泄漏的高温高压介质将与其相邻的第48根水冷壁管焊缝及附近区域吹损致泄漏并形成较大的泄漏点，该较大泄漏点较长时间的介质泄漏引发管内介质流量不足，导致其后面约3 m距离处的标高58.5 m部位发生短时过热爆管，并将相邻的水冷壁管吹损损伤。

 

从化学成分分析，水冷壁螺旋段及垂直段管段的主要合金成分与标准GB/T 5310—2017对12Cr1MoVG材质的要求相一致。水冷壁螺旋段管段对接焊缝填充的熔敷金属的主要合金成分符合标准DL/T 869—2021对TIG-R31焊丝的化学成分要求，可以排除材质错用的情况。

 

从金相组织分析，左侧墙标高57.9 m处炉后数第47根钢管对接焊缝处泄漏点位于近焊缝中间部位，为贯穿焊缝壁厚的单条直道裂纹，该焊缝只焊接了打底层和盖面层两层，且盖面层的柱状晶晶粒粗大，焊缝根部内凸超标。裂口尖端的组织未见拉长畸变，裂纹呈沿晶分布特征，焊缝盖面层的组织为晶粒粗大的板条状马氏体，符合焊接冷裂纹特征，也是本次爆管泄漏的第一泄漏点。钢管母材的组织未见明显球化，钢管内壁未见明显的氧化皮、脱碳层以及晶界氧化裂纹和蠕变裂纹。标高57.9 m位置炉后数第48根钢管，其对接焊缝及附近母材的3处泄漏点未见裂纹等缺陷，泄漏点尖端的组织未见拉长畸变，外壁严重吹损减薄，具有较为明显的泄漏介质吹损减薄致泄漏特征；钢管母材的组织组织未见明显球化。

 

对于标高58.5 m位置炉后数第48根钢管的大爆口处尖端的组织中晶粒发生了明显的拉长畸变，组织中珠光体2.5级球化，钢管内壁形成轻微的氧化层，具有典型的短时过热爆漏的微观组织特征。炉后数第49根和第50根垂直水冷壁钢管，其爆口尖端的组织晶粒未见明显的拉长畸变，近爆口处的组织中珠光体未见明显球化，钢管内壁未见明显的氧化层，具有吹损致泄漏的微观组织特征。炉后数第47根垂直水冷壁钢管和第51根螺旋水冷壁出口垂直段钢管，其表面吹损部位的组织为铁素体+珠光体，晶粒未见明显的拉长畸变，近爆口处的组织中珠光体未见明显球化，钢管内壁未见明显的氧化层。

 

从力学性能分析，爆漏水冷壁钢管母材的硬度符合标准DL/T438—2016对12Cr1MoVG管材的硬度要求；焊缝的硬度则远高于DL/T 869—2021对12Cr1MoVG焊缝的硬度要求的上限值，这与焊缝组织为粗大的板条马氏体相对应。

 

锅炉用12Cr1MoVG管材焊接过程中如果焊前未进行有效预热、焊接层数偏少、焊接参数过大且焊后冷速过快，会在焊缝组织中形成粗大的板条状马氏体组织并导致过高的硬度，进而导致焊接冷裂纹的生成，并在高水平的焊接接头残余应力及管系膨胀应力的作用下扩展至贯穿焊缝，直至引发泄漏。

 

4、结论及建议

综上分析，造成本次锅炉水冷壁爆管泄漏的主要原因为，炉膛左侧墙标高57.9 m处炉后数第47根螺旋水冷壁管对接接头焊缝存在冷裂纹缺陷，在服役过程中内部介质形成的一次应力及管系膨胀形成的二次应力叠加作用下，焊缝中的冷裂纹扩展并贯穿焊缝形成泄漏，将与其相对的炉后数第48根螺旋水冷壁管处吹损致较大量的介质泄漏，导致该管系内介质流量不足引发标高58.5 m处出口处垂直管段发生短时过热致爆漏，泄漏的介质将与其相邻的垂直水冷壁管吹损致泄漏。

 

 

来源：国电检测

关键词： 水冷壁 鼓包失效