某鍋爐水冷壁管裂紋缺陷原因分析

王彩俠，楊 蘭，陳 征，侯召堂

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

近些年來，我國新建并相繼投運了大批量超（超超）臨界機(jī)組，在機(jī)組設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試等方面采用了諸多的新技術(shù)、新材料、新工藝、新方法，取得了大量成功的實踐經(jīng)驗。另一方面隨著火電機(jī)組建設(shè)的快速發(fā)展，對工程建設(shè)周期和設(shè)備原材料供應(yīng)周期提出了更高要求，在機(jī)組制造、安裝等方面也暴露了一些技術(shù)和質(zhì)量方面的問題，部分質(zhì)量不符的原材料通過各種渠道流入到火電新建工程中，增加了火電機(jī)組安全運行的風(fēng)險。本文就某電廠鍋爐水冷壁管在安裝過程中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量方面的問題[1]進(jìn)行了分析，以便于大家借鑒。

1 概述

某電廠1 號機(jī)組鍋爐在安裝過程中，發(fā)現(xiàn)水冷壁管安裝焊口X 射線檢測底片上母材存在黑色斑塊狀缺陷，判定為鋼管內(nèi)壁表面溝槽，進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)一批水冷壁管內(nèi)壁存在類似裂紋的缺陷，見圖1。為了避免誤判，對管子內(nèi)部進(jìn)行了清理，清理后再次進(jìn)行X 射線檢測發(fā)現(xiàn)缺陷依然存在。經(jīng)查，該批水冷壁原材料鋼管由大連某鋼管有限公司制造，材料牌號為15CrMoG，規(guī)格為?28.6×5.8mm。制造工藝為：管坯穿孔+預(yù)處理（酸洗+磷化）+冷拔+性能熱處理，性能熱處理為：950℃正火+700℃回火。復(fù)核產(chǎn)品質(zhì)量證明書和鍋爐廠入場檢驗報告未發(fā)現(xiàn)異常，所檢項目均合格。

圖1 水冷壁管樣缺陷X 射線底片照片

為了確保工程設(shè)備的質(zhì)量，保證發(fā)電機(jī)組的安全運行，我們對該批水冷壁管內(nèi)壁缺陷形成原因進(jìn)行了試驗分析。

2 缺陷管樣的特性分析

2.1 宏觀特征

對該水冷壁管（帶鰭片）割管取樣進(jìn)行剖管，發(fā)現(xiàn)管樣內(nèi)壁表面存在一層較薄的疏松狀垢層，呈黃褐色（即鐵銹紅色），銹層下內(nèi)壁表面呈現(xiàn)“龜裂”狀，有類似龜裂的小裂紋，“人”字形狀，呈45°角，見圖2a。對內(nèi)壁表面進(jìn)行滲透檢測，肉眼可見大量的寬度不同、深淺不一類似裂紋的缺陷顯示，缺陷從內(nèi)壁向外壁方向延伸，最大深度約為2mm，見圖2b。

圖2 水冷壁管樣的內(nèi)壁表面宏觀形貌

2.2 材質(zhì)狀態(tài)檢驗

2.2.1 化學(xué)成分分析

對水冷壁管樣取金屬粉末進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果及GB/T 5310-2017[2]《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG 鋼的化學(xué)成分技術(shù)條件要求見表1。

從表1 可以看出：

表1 水冷壁管樣的化學(xué)成分分析結(jié)果（%）

（1）管樣中的Mo 元素低于GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》相關(guān)要求，但符合GB/T 222-2006[3]《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》要求的下偏差范圍。

（2）除Mo 元素之外的其它化學(xué)元素含量符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》相關(guān)要求。

2.2.2 力學(xué)性能

對水冷壁管取弧形拉伸試樣，按照GB/T 228.1-2010[4]《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》進(jìn)行室溫拉伸性能試驗；取V 形缺口沖擊試樣，按照GB/T 229-2007[5]《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進(jìn)行室溫沖擊試驗。室溫拉伸試驗和沖擊試驗結(jié)果及GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG 鋼的力學(xué)性能技術(shù)條件要求見表2。

從表2 可以看出：

表2 15CrMoG 水冷壁管力學(xué)性能試驗結(jié)果

（1）水冷壁管樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、沖擊吸收能量符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的相關(guān)要求。

（2）水冷壁管樣的斷后伸長率不滿足GB/T 5310-2017 的相關(guān)要求，與內(nèi)壁存在線性缺陷有關(guān)。

2.2.3 金相組織分析

對水冷壁管樣切割成小塊樣，進(jìn)行熱鑲嵌、磨制、拋光等制樣工序，采用4%的硝酸酒精浸蝕，在研究級ZEISS 型金相顯微鏡下進(jìn)行觀察和分析，結(jié)果見圖3。由圖可知，管樣金相組織為：鐵素體+珠光體，晶粒度7～8 級，在內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重帶狀組織，呈起伏“波浪線”狀，與內(nèi)壁嚴(yán)重變形相關(guān)；內(nèi)壁分布有數(shù)量較多且深淺不一類似裂紋缺陷，從內(nèi)壁向外壁方向擴(kuò)展，呈現(xiàn)穿晶、沿晶混合型特征，最大深度達(dá)1.6mm；缺陷尖端較鈍，內(nèi)有填充物，周圍存在脫碳現(xiàn)象，裂紋周圍晶粒發(fā)生長大。綜上可知，內(nèi)壁缺陷的性質(zhì)為裂紋，裂紋在性能熱處理前已形成。

圖3 水冷壁管樣的組織及內(nèi)壁裂紋形貌

2.2.4 掃描電鏡及能譜分析

對水冷壁管內(nèi)壁表面及拋光態(tài)金相試樣進(jìn)行掃描電鏡及X 射線能譜分析，內(nèi)壁表面掃描電鏡形貌照片見圖4，X 射線能譜分析結(jié)果見表3。

圖4 水冷壁管樣內(nèi)壁表面掃描電鏡形貌

表3 水冷壁管的X 射線能譜分析結(jié)果（Wt%）

從掃描電鏡及X 射線能譜分析結(jié)果可知：

（1）水冷壁管內(nèi)壁表面粗糙呈“魚鱗”狀，裂紋為“人”字形狀。

（2）水冷壁管樣內(nèi)壁表面含有較高的S、Al、Ca、Zn、Na，P 等元素，其中S 元素含量較高達(dá)19.51%。

（3）水冷壁管樣拋光態(tài)試樣裂紋內(nèi)部具有較高S、Ca、Cu、Zn、Al，P 等元素，其中S 元素含量最高為1.97%。

（4）水冷壁管內(nèi)壁表面及裂紋內(nèi)部O 元素的含量均很高，特別是內(nèi)壁表面高達(dá)40.65%，這說明內(nèi)壁表面的物質(zhì)是以氧化物為主。

3 缺陷原因分析

綜合以上試驗結(jié)果分析，該電廠1 號鍋爐水冷壁管化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，斷后伸長率不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，與內(nèi)壁存在缺陷相關(guān)。內(nèi)壁缺陷的性質(zhì)為裂紋，裂紋最大深度達(dá)1.6mm，裂紋內(nèi)有氧化物，周圍存在脫碳現(xiàn)象，底部較鈍，裂紋處基體組織為正常的鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，晶粒度7～8 級。顯然，裂紋產(chǎn)生在鋼管生產(chǎn)過程中。水冷壁管為冷拔鋼管，生產(chǎn)工藝為管坯加熱—穿孔—打頭—酸洗—磷化—皂化—冷拔+熱處理—檢驗。管坯穿孔后需經(jīng)酸洗去除氧化皮。酸洗后，通過磷化處理[6]，使鋼管的表面生成一層磷酸鹽的黑膜。磷化處理中磷化液由硝酸、磷酸和氧化鋅組成，在65～80℃之間與鋼管內(nèi)壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，見式（1）～（2）[7]，最終在內(nèi)壁形成以Zn3（PO4）2為主的具有一定強(qiáng)度和良好吸附性的海綿狀磷化膜。該海綿狀磷化膜在皂化過程中可大量吸附皂化液（C17H35COONa）[8]，形成堅固耐磨的潤滑層。潤滑層隔開了鋼管內(nèi)表面與冷拔模具表面，并隨著冷拔鋼管延伸而延伸，使冷拔過程中摩擦系數(shù)穩(wěn)定，保證冷拔鋼管表面質(zhì)量。

結(jié)合X 射線能譜分析結(jié)果可知，裂紋和內(nèi)壁表面主要有S、Al、Ca、Zn、Na，P 等元素，S、Al、Ca 元素與內(nèi)壁非金屬夾雜物相關(guān)，Zn、Na，P 等元素與鋼管制造工藝中磷化液和皂化液殘留物相關(guān)，從而可判斷裂紋形成在磷化工序之前。當(dāng)管坯芯部存在較多非金屬夾雜物時，在穿孔過程中隨著管壁減薄，內(nèi)壁將會集中較多的非金屬夾雜物，其中Al、Ca 等夾雜物多為脆性夾雜物，不易塑性變形，與鋼管基體為各項異性，且不兼容。這些夾雜物被軋碎后隨著鋼管拉拔[9]不斷延伸在內(nèi)壁萌生裂紋源。微裂紋在冷拔過程中進(jìn)一步擴(kuò)展形成裂紋，經(jīng)性能熱處理發(fā)生氧化和脫碳。

4 結(jié)論

水冷壁管內(nèi)壁缺陷為裂紋，裂紋形成在鋼管制造過程中。裂紋形成的主要原因為管坯內(nèi)部存在脆性的非金屬夾雜，在塑性變形過程中，發(fā)生碎化形成裂紋源，經(jīng)冷拔進(jìn)一步擴(kuò)展形成裂紋。