某600MW机组侧墙水冷壁管横向裂纹原因分析

某600MW机组侧墙水冷壁管横向裂纹原因分析

柯道斌

广东能源茂名热电厂有限公司,广东茂名，525011

摘要：某600MW超临界机组在长期深度调峰工况下，水平烟道侧墙水冷壁管泄漏导致机组非计划停运，停炉消缺检查中发现泄漏水冷壁管表面出现横向裂纹，特对此横向裂纹进行分析，并根据实际的处理情况，对此类事故提出了预防建议。

关键词：水冷壁；深度调峰；泄漏；横向裂纹

一、前言

某电厂的600MW锅炉是一台参与深度调峰、负荷波动大的超临界参数变压直流炉，型号为DG1920/25.4-Ⅱ型，采用一次再热、单炉膛、尾部双烟道结构、固态排渣、全悬吊结构、前后壁对冲燃烧，由东方锅炉厂设计制造。该机组于2014年1月正式投产，累计运行时间约 5.9 万小时。机组运行过程中锅炉水平烟道侧墙水冷壁（规格φ31.8×7.5，材质15CrMoG）发生泄漏，此次事故中水平烟道右侧墙水冷壁管出现表面横向裂纹，具体为水平烟道右侧墙标高约68m处水冷壁管炉后往炉前数第 2、3、4 根管母材表面存在横向裂纹，第2、3、4、10、11根管（以下称 2#、3#、4#、10#、11#管）焊缝附近存在横向裂纹，本文进行了分析，并根据实际处理情况，对此类事故提出了预防建议。

二、理化检验

1、宏观分析

本次选取5根，编号分别为2#、3#、4#、10#、11#的水冷壁管，其中 2#、3#、4#管长度约 1.1 米，10#、11#管长度约 0.6 米；2#、3#、4#、10#、11#管向烟侧、背烟侧外壁呈橘红色，壁厚未见异常减薄，2#、3#、4#、10#、11#管向烟侧焊缝附近可见横向裂纹；2#、3#、4#管母材向烟侧外壁可见密集分布的疑似裂纹。

选取2#管横向裂纹人工掰开后可见裂纹由外壁向壁厚深度方向呈扇形分布，裂纹断口呈暗红色，对断口清洗后外壁原始断口可见贝壳纹花样，原始内壁断口可见较多台阶，具有明显宏观疲劳开裂特征。

对2#、3#、4#、10#、11#管母材向/背烟侧分别制取长约18mm纵截面金相试样，观察内外壁裂纹分布情况。各试样背烟侧均未见明显裂纹，金相试样向烟侧内外壁均可见裂纹垂直于试样表面沿壁厚深度方向扩展，其中外壁裂纹相对长于内壁裂纹。

2、化学成分分析

选取2#、11#管试样按照 GB/T 4336-2016进行化学成分分析，结果见表1，成分分析结果显示主要元素均满足 GB/T 5310-2017（15CrMoG）标准技术要求。

表 1 化学成分分析结果

3、金相分析

3.1母材金相分析
  在2#、3#、4#、10#、11#管母材向/背烟侧取金相试样，按照 GB/T 13298-2015 进行磨制、抛光、侵蚀及金相分析。水冷壁管向/背烟侧显微组织均为铁素体+珠光体，依据DL/T 787-2001 对珠光体进行球化评级，珠光体球化等级约2.0级。

3.2管壁金相分析

2#、3#、4#管试样向烟侧外壁均可见明显横向裂纹，其中2#管试样裂纹相对较长，3#管、4#管试样外壁裂纹长度相对递减；2#、3#管试样向烟侧内壁可见横向裂纹，2#、3#管试样内壁裂纹长度相对递减。2#、3#、4#管试样裂纹由内外壁向壁厚深度方向扩展，裂纹呈楔形，裂纹扩展以穿晶为主，裂纹未见明显分支，裂纹内部有大量填充物；2#、3#、4#、10#、11#管试样背烟侧内外壁均未见明显裂纹；观察 2#、3#、4#、10#、11#管试样向/背烟侧内外壁氧化皮，测得氧化皮厚度最厚为2#管向烟侧外壁，约0.2mm，其它试样内外壁未见明显氧化皮。

4、力学性能试验

4.1拉伸试验

选取2#、11#管向/背烟侧各制取一个纵向弧形试样，按照 GB/T 228.1-2021进行室温拉伸试验，试验结果显示抗拉强度 Rm、下屈服强度 Rp0.2与断后伸长率 A 基本符合GB/T 5310-2017（15CrMoG）标准技术要求。

4.2冲击试验

选取2#、11#管各制取三个纵向试样，按照GB/T 229-2020进行室温冲击试验，冲击试验结果均满足GB/T 5310-2017（15CrMoG）标准技术要求。

4.3硬度试验

对2#、3#、4#、10#、11#管向/背烟侧取样按照 GB/T 4340.1-2009进行维氏硬度试验，硬度试验结果均满足GB/T 5310-2017（15CrMoG）标准技术要求。

5、扫描电镜形貌观察与能谱分析

5.1断口形貌观察与能谱分析

2#管裂纹断口试样外壁可见明显贝壳纹花样，裂纹由外壁向壁厚深度方向扩展，高倍观察框示位置可见大量微观疲劳辉纹，表明该断口试样内外壁均具有典型的疲劳开裂特征，其中内壁具有多源疲劳开裂特征，#2管样详见图1。

图1 #2管样断口

此外，11#管裂纹断口试样外壁能谱分析（未清洗净的氧化皮处） 检出有腐蚀性硫元素，含量约1.5 wt.%；局部可见贝壳纹花样，裂纹由外壁向壁厚深度方向扩展，高倍下观察氧化皮处可见大量微观疲劳辉纹，表明该断口试样外壁具有多源疲劳开裂特征；裂纹断口试样内壁有多处径向台阶和贝壳纹花样，高倍观察框示位置可见大量微观疲劳辉纹，表明该断口试样内壁也具有多源疲劳开裂特征。

5.2截面形貌观察与能谱分析

对管向烟侧母材纵截面金相试样（侵蚀后）进行形貌观察与能谱分析，内外壁存在的裂纹深浅不一且近似平行，外壁裂纹尖端圆钝，内壁裂纹尖端呈匕首状，裂纹呈楔形，裂纹无明显分支，外/内壁测得最长裂纹分别约1.9/0.6mm，裂纹内部有大量填充物，能谱分析显示外壁裂纹内填充物及外壁覆盖层主要由铁、氧、硫等元素组成，为铁的氧化物及硫化物，裂纹尖端出现硫元素富集，含量约4.8wt.%，内壁裂缝内填充物及内壁覆盖层主要由铁、氧等元素组成，为铁的氧化物。

三、原因分析

取样管主要元素、力学性能试验结果均基本符合GB/T 5310-2017（15CrMoG）标准技术要求。向/背烟侧显微组织均为铁素体+珠光体，珠光体球化等级约2.0 级，组织未见明显异常，氧化皮未见异常增厚。 综合2#、3#、4#、10#、11#管裂纹的分布与损伤形态、断口形貌特征与能谱分析等，判断2#、3#、4#、10#、11#表面裂纹为热疲劳应力引起，其中管外壁在含硫气氛中，发生腐蚀疲劳，造成外壁裂纹损伤程度较内壁严重，而焊缝附近因错口引起结构不连续，使得局部形成高应力集中区，从而引发裂纹萌生并加速扩展，同时焊接接头处流通截面减少，换热效率降低，热应力加大。

疲劳应力来源分析：该型号600MW锅炉设计时是按照负荷在300MW-600MW之间调节的，但近年来该机组除启停机与负荷波动外，还参与深度调峰，使得锅炉热负荷频繁发生变化，当机组负荷变动较大时，水冷壁管内介质流量发生变化，管子金属壁温循环波动，进而影响水冷壁管的膨胀和收缩，从而导致作用于水冷壁管的应力发生循环变化。

四、建议

1、利用机组大小修及临停窗口，对锅炉水冷壁侧包墙附近受热面管道进行扩大检查，及时对有异常的管段进行更换处理；

2、加强对火电厂入场煤质的中含硫量的检测控制，条件允许情况下，尽量减少使用高硫煤，减缓含硫烟气水冷壁管外壁的腐蚀；

3、加强焊接接头外观检查，外壁错口值应符合DL/T 869-2021等规范标准的技术要求，降低结构应力集中和流通截面减少的情况；

4、锅炉调峰运行和升降负荷期间，要严格遵守操作规程，控制负荷变化速率，避免水冷壁管壁温大幅度波动；

5、可考虑在反复或易发生横向开裂的水冷壁入口管上布置了不同管径的节流孔圈，进行流量调整。

五、结论

2#、3#、4#、10#、11#水冷壁管在锅炉调峰及负荷波动产生的轴向循环热应力作用下，在管内外表面形成裂纹源，其中焊接接头局部高应力集中，裂纹加速萌生与扩展，管外表面在含硫腐蚀气氛中，腐蚀和疲劳交互作用加剧裂纹扩展，最终在侧墙水冷壁管管壁形成了密集分布的横向裂纹。