水冷壁管是電站鍋爐的重要組成部分之一,通常布置在爐膛四周或中間,主要通過(guò)熱對(duì)流、熱輻射等方式吸收爐膛中燃煤、燃?xì)猱a(chǎn)生的高溫火焰及煙氣熱量,再將熱量傳遞給管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的介質(zhì),使其汽化形成汽水混合物或飽和蒸汽,完成汽水循環(huán)[1－4]。目前為保證火電廠大容量、高溫、高壓鍋爐的爐膛氣密性良好,通常采用管子與鰭片(扁鋼條)相互連續(xù)焊接而成的膜式水冷壁結(jié)構(gòu),水冷壁管內(nèi)外環(huán)境差異較大,工作條件苛刻,在服役過(guò)程中易發(fā)生吹損減薄、高溫腐蝕、超溫、堿腐蝕、鰭片拉裂等問(wèn)題,最終發(fā)生爆管現(xiàn)象并導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn),嚴(yán)重影響了機(jī)組的運(yùn)行安全[5－9]。 

某火電廠二期4號(hào)機(jī)組于2019年6月發(fā)生鍋爐水冷壁管泄漏事故,停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)共有4根泄漏管,爐左第5,6,24根管局部開(kāi)裂,爐右第7根管斷裂。該鍋爐爐膛水冷壁為膜式鰭片結(jié)構(gòu),由規(guī)格為60 mm×7.5 mm(外徑×壁厚)、材料為SA210C鋼的光管和內(nèi)螺紋管與6 mm(厚度)鰭片焊接而成,節(jié)距為76 mm。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了水冷壁管泄漏的原因,并提出了改進(jìn)建議,以避免該類(lèi)事故再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

爐右第7根斷裂管(1號(hào)試樣)的宏觀形貌如圖1所示,爐左第5根開(kāi)裂管(2號(hào)試樣)的宏觀形貌如圖2所示。由圖1,2可知：爐右第7根斷裂管斷裂位置為鰭片與水冷壁焊縫切口端部；爐左第5根開(kāi)裂管的開(kāi)裂位置為鰭片V形切口底部尖端。 

圖  1  爐右第7根斷裂管的宏觀形貌

圖  2  爐左第5根開(kāi)裂管的宏觀形貌

1號(hào)試樣斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：1號(hào)試樣起裂源位于鰭片與水冷壁焊縫切口端部,且起裂源有兩處；通過(guò)觀察斷口表面金屬顏色可以判斷,源區(qū)1首先發(fā)生開(kāi)裂,裂紋向?qū)?cè)快速擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展至接近源區(qū)2時(shí),在源區(qū)2產(chǎn)生了新的裂紋,并向源區(qū)1方向擴(kuò)展,裂紋在接近源區(qū)2的一端匯合,使試樣最終發(fā)生了斷裂；在整個(gè)斷口上,裂紋源區(qū)面積最小,裂紋擴(kuò)展區(qū)面積最大。上述裂紋源也是較為明顯的應(yīng)力集中部位。 

圖  3  1號(hào)試樣斷口宏觀形貌

將2號(hào)試樣縱向剖開(kāi),觀察開(kāi)裂截面的宏觀形貌,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：2號(hào)試樣鰭片V形切口底部加工工藝較差,形狀較為尖銳,應(yīng)力集中明顯,該處為裂紋的起裂位置,裂紋擴(kuò)展速率較快；在整個(gè)斷口上,裂紋源區(qū)面積最小,裂紋擴(kuò)展區(qū)面積最大。 

圖  4  2號(hào)試樣開(kāi)裂截面的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

使用光譜分析儀分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：1號(hào)、2號(hào)試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的要求。 

1.3   力學(xué)性能測(cè)試

依照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 5310—2017,分別在1號(hào)試樣斷面、 2號(hào)試樣開(kāi)裂處的臨近母材上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率不符合GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)要求,屈服強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求；2號(hào)試樣的力學(xué)性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。 

對(duì)1號(hào)、2號(hào)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表3所示。由圖3可知：1號(hào)、2號(hào)試樣的硬度均符合DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求。 

1.4   金相檢驗(yàn)

在1號(hào)試樣裂紋源處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：1號(hào)試樣裂紋源附近位置分為3個(gè)區(qū)域,I區(qū)為鰭片,顯微組織為珠光體＋鐵素體,珠光體球化等級(jí)為2級(jí)；II區(qū)為鰭片與焊接角焊縫熔合線區(qū)域,顯微組織為較粗大的貝氏體＋鐵素體；III區(qū)為管子母材與鰭片焊接角焊縫區(qū)域,顯微組織為貝氏體＋鐵素體。 

圖  5  1號(hào)試樣裂紋源處的顯微組織形貌

分別在1號(hào)試樣斷口處母材和2號(hào)試樣開(kāi)裂處母材位置取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖6,7所示。由圖6,7可知：1號(hào)試樣母材的顯微組織為鐵素體＋珠光體,珠光體球化等級(jí)為2級(jí)；2號(hào)試樣母材的顯微組織為鐵素體＋珠光體,珠光體球化等級(jí)為2級(jí)；1號(hào)、2號(hào)試樣的顯微組織均未見(jiàn)異常,因此可初步判定缺陷的產(chǎn)生與材料老化無(wú)關(guān)。 

圖  6  1號(hào)試樣斷口處母材的顯微組織形貌

圖  7  2號(hào)試樣開(kāi)裂處母材的顯微組織形貌

1.5   掃描電鏡(SEM)分析

在1號(hào)試樣裂紋源處取樣,用掃描電鏡觀察試樣,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：1號(hào)試樣裂紋源處呈河流狀花樣形貌,為解理斷口的特征形貌,屬于典型的脆性開(kāi)裂,局部存在微裂紋。 

圖  8  1號(hào)試樣裂紋源處SEM形貌

1.6   外徑和壁厚測(cè)量

分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)試樣進(jìn)行外徑和壁厚測(cè)量,結(jié)果如表4所示。由表4可知：1號(hào)、2號(hào)試樣的壁厚測(cè)量結(jié)果均符合DL/T 939—2016 《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則》的要求；1號(hào)、2號(hào)試樣的外徑蠕變應(yīng)變均符合DL/T 438—2016的要求。 

2.   現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況及管子安裝結(jié)構(gòu)檢查

2.1   現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

經(jīng)與電廠運(yùn)行人員確認(rèn),該水冷壁管泄漏前,鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的升溫和升壓曲線正常、鍋爐膨脹系統(tǒng)正常、鍋爐點(diǎn)火期間水質(zhì)正常,且運(yùn)行中鍋爐載荷穩(wěn)定。因此可以排除現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況的影響因素。 

2.2   管子安裝結(jié)構(gòu)

敷管式爐墻的水冷壁爐墻外層無(wú)護(hù)板和框架梁,因此其剛性較差。為了能承受爐膛內(nèi)可能產(chǎn)生的爆燃?jí)毫蜖t內(nèi)正壓、負(fù)壓的變化,且使管子和爐墻在受到較大的推力時(shí)不產(chǎn)生凸起或裂紋,所有敷管式爐墻必須圍繞爐膛四壁在爐外分層布置剛性梁。常用剛性梁結(jié)構(gòu)型式為搭接式,并沿爐膛高度每隔3～4 m布置整圈,將爐墻和管子連接起來(lái),并使之形成具有剛性的平面,部分重要區(qū)域還會(huì)緊貼管子加裝張力吊板,從而進(jìn)一步增強(qiáng)其穩(wěn)定性。剛性梁和張力板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是水冷壁管安全運(yùn)行的重要保障。對(duì)管子現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝情況進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)泄漏管附近的多處剛性梁和搭接板連接螺栓出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象,直接導(dǎo)致了水冷壁管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降(見(jiàn)圖9,10)。 

圖  9  連接螺栓松動(dòng)位置現(xiàn)場(chǎng)

圖  10  松動(dòng)連接螺栓的宏觀形貌

對(duì)比鍋爐廠設(shè)計(jì)圖紙發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)安裝的搭板扣件型式與設(shè)計(jì)圖紙明顯不符,設(shè)計(jì)圖紙中的搭板扣件為L(zhǎng)型,現(xiàn)場(chǎng)安裝的搭板扣件為長(zhǎng)條形,該搭板扣件無(wú)法有效固定張力吊板。設(shè)計(jì)圖紙中的張力吊板安裝結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝情況如圖11,12所示。 

圖  11  設(shè)計(jì)圖紙中的張力吊板安裝結(jié)構(gòu)示意

圖  12  現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝情況

綜合上述分析可知,1號(hào)、2號(hào)試樣的化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,顯微組織未見(jiàn)異常,且均未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗及管壁減薄等現(xiàn)象,因此水冷壁管泄漏與材料本身性能無(wú)關(guān)。剛性梁連接螺栓松動(dòng)降低了剛性梁及搭接板連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,加劇了水冷壁管運(yùn)行中的振動(dòng)；搭板扣件的實(shí)際安裝情況與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)不符,使其無(wú)法對(duì)張力吊板提供爐外側(cè)的約束,導(dǎo)致張力吊板在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)及位移,對(duì)管子造成傷害；水冷壁鰭片切口的加工工藝較差,端部及根部外形尖銳,未進(jìn)行圓滑過(guò)渡,導(dǎo)致該處應(yīng)力集中程度較大,在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,鰭片應(yīng)力集中部位受到自身運(yùn)行產(chǎn)生的交變應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)松動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)作用,最終成為起裂源,且裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致水冷壁管破裂并發(fā)生泄漏。 

4.   結(jié)論及建議

水冷壁管鰭片切割工藝差,使得切口端部及根部形成應(yīng)力集中,現(xiàn)場(chǎng)剛性梁安裝松動(dòng)以及張力吊板的搭板扣件未按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行制作,降低了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,使得水冷壁管在應(yīng)力集中部位發(fā)生開(kāi)裂,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致水冷壁管發(fā)生泄漏。 

建議全面排查目前水冷壁管鰭片切口位置是否存在裂紋,對(duì)于存在裂紋且未擴(kuò)展至管道母材的管子,應(yīng)及時(shí)消除其裂紋,并對(duì)所有管子鰭片切口的端部和根部進(jìn)行圓滑過(guò)渡。改善水冷壁管鰭片切口的切割工藝,換管作業(yè)時(shí),鰭片經(jīng)切割后,必須對(duì)其尖銳位置進(jìn)行圓滑過(guò)渡,降低該位置的應(yīng)力集中程度。對(duì)鍋爐剛性梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行排查,并將該項(xiàng)檢查列入后續(xù)常規(guī)檢修計(jì)劃,每次機(jī)組停機(jī)檢修時(shí),需對(duì)剛性梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查,及時(shí)緊固松動(dòng)的螺栓,修復(fù)變形的構(gòu)件,恢復(fù)剛性梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。全面排查該機(jī)組其余位置搭板扣件的安裝型式,對(duì)于未按照設(shè)計(jì)圖紙制作安裝的搭板扣件,應(yīng)按設(shè)計(jì)要求重新制作并安裝。 

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