660MW火電機(jī)組水冷壁出口集箱接管座開裂原因分析

陸曉華 李楠林 張寶柱 史志剛

摘 要：采用宏觀形貌分析、力學(xué)性能分析、金相分析、微觀形貌分析和成分分析對某660MW火電機(jī)組水冷壁出口集箱接管座開裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：水冷壁出口集箱接管座角焊縫開裂性質(zhì)為疲勞開裂;引起管子發(fā)生疲勞開裂的主要原因?yàn)槌隹诩渑c水冷壁間膨脹不協(xié)調(diào)在接管座角焊縫部位引起的結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力所致，與材質(zhì)無關(guān)。

關(guān)鍵詞：水冷壁出口集箱;接管座角焊縫;疲勞應(yīng)力

中圖分類號：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0164-02

0 引言

鍋爐水冷壁管因其服役環(huán)境較為苛刻，在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常產(chǎn)生因減薄、腐蝕、過熱、疲勞等[1-2]導(dǎo)致的損傷甚至泄漏，并且往往損傷覆蓋面積較廣，易導(dǎo)致停爐停機(jī)等事故，因此明確失效原因并進(jìn)行相應(yīng)預(yù)防或整改對機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)性具有至關(guān)重要的作用[3]。近期，國投哈密電廠660MW火電機(jī)組#1機(jī)組在運(yùn)行2.6萬小時后，發(fā)現(xiàn)水冷壁左側(cè)墻、右側(cè)墻出口集箱接管座角焊縫總計開裂284根，其中左側(cè)墻爐前側(cè)管裂紋朝爐前，爐后側(cè)管裂紋朝爐后，右側(cè)墻爐前側(cè)管裂紋朝爐前，爐后側(cè)管裂紋朝爐前，水冷壁管及出口集箱材質(zhì)均為15CrMo。本文通過對開裂管樣（水冷壁左側(cè)墻從爐后向爐前數(shù)第15根）的詳細(xì)分析，明確其失效機(jī)理，并為避免同類事故的發(fā)生提出建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌分析

水冷壁管樣的宏觀形貌。樣品裂紋位于緊鄰角焊縫的管子爐后側(cè)部位，呈環(huán)向開裂，裂紋從外壁沿母材徑向已裂透至內(nèi)壁，裂紋在外壁長約36mm，在內(nèi)壁長約10mm，其他部位宏觀均未見裂紋缺陷。

1.2 化學(xué)成分分析

對水冷壁管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表可見：管樣的化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG的要求。

1.3 力學(xué)性能分析

在水冷壁管樣上制取1對拉伸試樣、1個硬度試樣，室溫下試樣的拉伸試驗(yàn)和維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表可見：樣品室溫下的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG新管的要求;樣品的維氏硬度值符合15CrMoG新管的要求。

1.4 金相分析

樣品內(nèi)外壁及組織的金相形貌。樣品從管子外壁角焊縫熱影響區(qū)開裂，裂紋沿壁厚方向向管子內(nèi)壁和環(huán)向擴(kuò)展，樣品斷口呈穿晶型，主裂口附近存在二次裂紋;樣品開裂部位對側(cè)外壁存在小裂紋，最深約0.05mm;樣品的焊縫、熱影響區(qū)和母材組織為鐵素體+珠光體，均未見異常。

1.5 微觀形貌分析

水冷壁管樣品斷口表面的掃描電鏡形貌斷口表面覆蓋有一層的氧化物，且有工質(zhì)吹損痕跡，裂紋斷口可見明顯的疲勞弧線。

2 綜合分析

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，管子的化學(xué)成分、硬度值、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，組織為鐵素體加珠光體，組織狀態(tài)正常。

水冷壁接管座開裂部位特征如下：裂紋位于緊鄰角焊縫的管子爐后側(cè)部位，呈環(huán)向開裂，從外壁沿母材徑向向內(nèi)壁擴(kuò)展，且裂紋已裂透。裂紋斷口覆蓋著一層的氧化物，清洗后裂紋斷口擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞弧線。根據(jù)以上開裂的基本特征，管子的開裂性質(zhì)為疲勞開裂。

鍋爐熱態(tài)運(yùn)行時，水冷壁出口集箱、水冷壁管和鰭片都在高溫環(huán)境下受熱膨脹，三者材質(zhì)相同，但由于某些阻礙對單一或者其中兩個部件形成約束，導(dǎo)致出口集箱和管子間膨脹不同步，從而在接管座角焊縫部位產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力，在部件之間產(chǎn)生相對位移趨勢，機(jī)組啟停導(dǎo)致疲勞開裂。以左側(cè)水冷壁出口集箱為例，集箱溫度高于大包中鰭片溫度，集箱向爐前后方向膨脹量大于鰭片管排膨脹量，造成集箱管座焊縫產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，形成集箱爐前部角焊縫在爐前側(cè)疲勞開裂、爐后部角焊縫在爐后側(cè)疲勞開裂的基本規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場開裂情況，可以得出水冷壁管與出口集箱的相對位移趨勢示意圖（虛線表示位移趨勢）。

結(jié)合現(xiàn)場情況，導(dǎo)致水冷壁管接管座角焊縫部位產(chǎn)生疲勞開裂的主要因素分為以下三點(diǎn)：（1）鰭片、水冷壁管與上集箱溫差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。運(yùn)行過程中，鰭片本身溫度比水冷壁管和集箱稍低，相同材料在溫度稍低時產(chǎn)生的膨脹量較小，因此運(yùn)行時鰭片的膨脹量低于集箱的膨脹量，從而在水冷壁出口集箱角焊縫部位產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。如水冷壁左側(cè)出口集箱接管座角焊縫開裂的分布;（2）水冷壁爐后延伸側(cè)包墻管對水冷壁管的約束作用。左、右側(cè)墻水冷壁管爐后側(cè)均通過鰭片連接延伸側(cè)包墻管，延伸側(cè)包墻集箱與水冷壁出口集箱中存在一定間隙，因此集箱之間的膨脹量相互之間直接影響較小，而水冷壁管和延伸側(cè)包墻管之間直接通過鰭片相連，對水冷壁管結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生影響，如水冷壁右側(cè)出口集箱接管座角焊縫開裂的分布;（3）其他可能約束：水冷壁管穿頂棚處的約束等。另外，接管座角焊縫部位屬于薄弱區(qū)域，且接管座角焊縫與母材相連外壁處存在變截面，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此疲勞開裂發(fā)生在接管座角焊縫部位。

3 結(jié)論與建議

水冷壁出口集箱接管座角焊縫開裂性質(zhì)為疲勞開裂;引起管子發(fā)生疲勞開裂的主要原因?yàn)槌隹诩渑c水冷壁間膨脹不協(xié)調(diào)在接管座角焊縫部位引起的結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力所致。

后續(xù)建議從以下兩方面進(jìn)行預(yù)防和控制：（1）適當(dāng)切開水冷壁與爐后延伸側(cè)包墻之間的鰭片，適當(dāng)向下切開大包內(nèi)管子間的鰭片降低水冷壁管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力;（2）必要時可將水冷壁出口集箱從中部分為兩段，降低集箱向兩側(cè)的膨脹量，從而減小與水冷壁管間的膨脹不協(xié)調(diào)程度。

參考文獻(xiàn)

[1] S.W. Liu，W.Z. Wang，C.J. Liu. Failure analysis of the boiler water-wall tube [J]. Case Studies in Engineering Failure Analysis.2017（9）：35-39.

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[3] 范志東，馬翼超，張志博，馬劍民.超（超）臨界鍋爐水冷壁管泄漏失效分析[J].熱加工工藝，2017，46（23）：254-258.