CFB鍋爐的一次水冷壁泄露分析

馬伯洲

安徽省淮南市鳳臺縣顧橋電廠，中國·安徽 淮南 232000

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁泄露一直是威脅安全運行的重要問題，其中很大一部分是磨損原因。但除磨損外，其他幾方面原因也會造成水冷壁泄露事故，如超溫、應力、焊接質(zhì)量等問題。論文通過對某次泄露事故的分析，提出了關于水冷壁泄露的思考。

泄露；應力；變形

1 引言

某廠1 號機組鍋爐型號是東方鍋爐廠有限公司DG1100-17.4/Ⅱ2 型鍋爐，為亞臨界、一次中間再熱、單汽包自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風、汽冷式旋風分離器、露天布置的循環(huán)流化床鍋爐，蒸發(fā)量1100t/h，過熱蒸汽蒸汽壓力17.4MPa，過熱蒸汽溫度541℃，于2011年7月投運。鍋爐簡圖如圖1所示，鍋爐主要尺寸如圖2所示。

圖1 鍋爐簡圖

圖2 鍋爐主要尺寸

鍋爐水冷壁材質(zhì)為SA-210C，規(guī)格為Φ57×6.5，前后墻各325 根，左右墻各96 根。高溫再熱器、高溫過熱器、中溫過熱器共18 片，均勻分布在前墻，水冷蒸發(fā)屏兩片分布在爐后水冷壁，將鍋爐分為三個區(qū)，后期擴容改造在爐后每區(qū)水冷壁增加共15 片小蒸發(fā)屏。由于運行期間出現(xiàn)過干燒，1號鍋爐水冷壁存在大范圍變形現(xiàn)象，該鍋爐于2018年12月22日發(fā)生后墻水冷壁泄露。

2 情況描述

泄漏位置為鍋爐后墻水冷壁左至右數(shù)第227、228、229根管道向火面，標高在22.5m 左右，即第二道防磨梁位置，衛(wèi)燃帶上方4m 處。上次停機檢修換管區(qū)域為鍋爐后墻水冷壁左至右數(shù)第201 根至231 根管道，包含泄露管道。

圖3 泄露圖

其中，泄露位置為新老管道焊縫下部舊管上，即上個檢修周期更換管道的新老管道對接處[1]。

圖4 泄露管圖

圖5 泄露位置

圖6 泄露位置簡圖

后將泄露管段送檢測機構進行化驗，結論為：根據(jù)金相組織分析，整體焊縫下部及熱影響區(qū)域組織粗大，熱影響區(qū)域有脆硬性魏氏組織產(chǎn)生，焊接過程中熱輸入過大導致。焊縫中上部及熱影響區(qū)域組織硬度正常，無明顯缺陷。爆口處泄露順序根據(jù)金相組織分析應為從焊縫下部及熱影響區(qū)域處脆硬組織開裂并延伸至上部，最終斷裂泄漏。

圖7 焊縫下部組織 500x

圖8 熱影響區(qū)過熱段 500x

由此，最終結論為焊接過程中產(chǎn)生的無法辨識缺陷與存在應力長期共生，共同作用下產(chǎn)生了裂縫，最終導致泄漏。

對于此結論，一方面“無法辨識缺陷”表述含糊，另一方面仍存在大量疑點得不到解釋。

3 事件追溯

在泄露前的上一個一次停爐檢修期間，于2018年9月份對該位置30 只管道進行了更換，管道更換后進行水壓試驗，發(fā)生換管區(qū)域邊緣管道泄露事故，即第31 根管道鰭片與管道結合處發(fā)生泄漏。情況如下。

2018年9月26日08:30 分#1 爐壓力升至1Mpa，檢查發(fā)現(xiàn)#1 爐后墻水冷壁右側二次風箱上方700mm 位置發(fā)生泄漏。泄漏點為新更換管道與原管道結合處老管道發(fā)生裂紋，沿圓周方向破裂，長度約15～20mm[2]。

圖9 水壓泄露圖

送檢前，將拆除管段進行了著色處理，在同管道上共出現(xiàn)四處同類型裂紋。

圖10 著色后出現(xiàn)的其他裂紋

圖11 水壓泄露位置圖示

送檢測單位進行化驗，結論為，送檢水冷壁管內(nèi)壁由小孔腐蝕現(xiàn)象，老化2.5～3級，金相組織正常，小孔腐蝕情況輕微，無其他異常。

圖12 500×（1 號樣）

圖13 500×（2 號樣）

可見，雖然管道存在輕微老化和腐蝕現(xiàn)象，但仍能夠滿足使用條件。故最終定性為，焊接鰭片過程中線輸入過大，導致泄露。

之所以進行追溯，由于9月份水壓泄露和12月份泄露所發(fā)生位置均在同一區(qū)域，即后墻二次風箱上方，兩處相隔僅2 根管道，時間跨度僅3 個月左右。最終定性均與焊接質(zhì)量有關，由于焊接質(zhì)量不高引發(fā)的泄露[3]。

圖14 兩次缺陷位置對比

4 問題分析

4.1 存在疑點

（1）兩次泄露位置極其接近，且時間跨度僅3 個月左右，這之間并非巧合，應存在一定聯(lián)系。

（2）若為焊接質(zhì)量問題，鰭片與對接焊口并非同一焊工施工，且焊接對口或鰭片的焊工也并非只進行了該位置的焊接，而是同時進行了大量其他位置的焊接，但其他施工位置未發(fā)生此類問題。

（3）泄露后，對泄露焊口焊接后探傷的底片即報告進行了檢查，焊口評價報告為一級，焊縫成型優(yōu)良。

（4）在實際的焊接過程中，焊縫材質(zhì)在微觀上很難達到母材標準，難以得到優(yōu)秀的金屬組織。

（5）鍋爐存在嚴重變形現(xiàn)象，該處位于二次風箱上方，水冷壁與風向相互干涉，存在巨大應力，該處水冷壁變形尤為嚴重。在切割過程中，管道切除后管道發(fā)生明顯彎曲。

圖15 該位置水冷壁變形情況

4.2 問題排查

針對以上疑點，懷疑泄露主因應為應力并開展了如下工作。

（1）將該位置焊口進行了重新射線探傷。2019年2月份機組停運后，對該部位焊縫進行了重新進行了射線探傷，探傷結果具有明顯的規(guī)律性，該部位焊口（即風箱上側焊縫）缺陷率極高，共8 只焊口需返工，其中左至右第225 只管口存在明顯裂紋，另有其他管道存在疑似裂紋及其他缺陷。同時查找和對比原始底片和報告，焊縫均為合格焊口，未發(fā)現(xiàn)該類缺陷。

圖16 裂紋位置對比

（2）將裂紋管道進行了取樣和重新編號、另外取1 只疑似裂紋和3 只無裂紋焊口送檢測單位進行化驗，與以往送檢不同，本次送檢打亂編號且事先不告知檢測單位缺陷管編號?；灲Y論如下：

①送檢水冷壁管熔合線熱影響區(qū)出現(xiàn)過熱組織魏氏體組織。

②魏氏體是指在焊接的過熱區(qū)內(nèi)，由于奧氏體晶粒長的分成粗大，這種粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下會形成的一種特殊的過熱組織。

③魏氏體組織的出現(xiàn)使得焊縫的力學性能下降，尤其是沖擊韌性下降。應盡量防止焊接過程中產(chǎn)生魏氏體組織。

圖17 化驗結果圖

可見，焊口合格與否，化驗結論是否一致，對接焊口無論好壞與否在微觀上均存在組織粗大、魏氏體等問題[4]。

（3）懷疑泄露主因應為該部位應力造成，故將該區(qū)域所有管道進行了再次更換，同時為了釋放應力，將更換管道延長至5.5m（原換管段2m）。

圖18 換管長度延長圖

5 結論確定

（1）焊接過程本身即小型的冶金過程，即在焊接過程中，隨著溫度的變化，焊縫區(qū)要發(fā)生熔化、化學反應、凝固及固態(tài)相變一系列過程。熱影響區(qū)則會發(fā)生組織變化。由于焊接的特殊性，焊接過程中熱場分布極不均勻，焊件的溫度分布也不均勻。因此，與其他成型方式能夠得到規(guī)則的金相組織不同，在焊接過程中，焊縫形成的同時不可避免的形成了組織和性能極不均勻的焊接熱影響區(qū)，使得一些部位的組織和性能變得很差（如過熱區(qū)），該過程可以控制但無法避免[5]。

（2）所有缺陷位置均具有明顯的特征性。2019年2月份對焊口進行再次探傷時發(fā)現(xiàn)缺陷口8 只，所有缺陷全部出現(xiàn)在在爐右側風箱上方焊口內(nèi)側弧頂處偏向老管位置。由于老管存在一定程度老化，在焊接作用下對接口熔池偏向老管側已形成強度最薄弱點，但在正常情況下，該問題無法避免也不會造成泄露缺陷[6]。

（3）水冷壁嚴重變形，該標高位置變形情況尤為嚴重，存在巨大內(nèi)應力。該位置在二次封箱上方，水冷壁變形嚴重，在焊口位置存在巨大的應力集中現(xiàn)象，導致了缺陷呈現(xiàn)明顯的特征性。在巨大應力的作用下，扭矩在水冷壁內(nèi)側弧頂處產(chǎn)生巨大拉應力，超過材料的強度極限，導致在該處發(fā)生破壞[7]。

圖19 水冷壁嚴重變形

6 結語

由于水冷壁變形與二次風箱相互干涉，在巨大應力集中的作用下導致的從焊口薄弱處出現(xiàn)裂紋最終發(fā)生泄露[8]。