超超临界锅炉水冷壁泄漏原因分析

李生文，林 琳，吴易洋

（西安热工研究院有限公司，陕西西安710054）

某电厂4号锅炉是东方锅炉（集团）股份有限公司与日本巴布科克—日立锅炉有限公司合作设计、联合制造的型号DG3000/26.25—Ⅱ1型1036MW超超临界本生直流锅炉。2016年9月，4号锅炉水冷壁A侧往B侧数第23根凝渣管对应的用于连接凝渣管和螺旋水冷壁管的过渡管发生泄漏，4号机组于2012年9月投产至水冷壁过渡管泄漏累计运行约2.75万小时，启停11次。

水冷壁管样材质为15CrMoG，为掌握锅炉受热面水冷壁材质状态，查找水冷壁泄漏原因，本文对泄漏管样进行了取样试验与分析，并提出改进及预防措施。

1 试验结果与分析

1.1 宏观形貌观察

管样宏观形貌如图1（a）所示。过渡管材质为SA-182 F22，过渡管下方的水冷壁管样材质为15CrMoG，规格为Φ38.1 mm×7.5 mm。距过渡管与水冷壁管焊缝上方约10 mm处过渡管的向火面存在沿环向扩展的裂口，裂口在外壁环向贯穿向火面，且已贯穿整个壁厚，裂口附近已被泄漏的水汽吹损。沿纵向将管样剖开，过渡管的内壁坡口加工处存在“V”字型凹槽，裂纹从凹槽处垂直于壁厚方向开裂泄漏，两侧断口未发现明显的塑性变形，如图1（b）～图1（e）所示。

1.2 金相分析

对管样各个部位进行金相组织观察，如图2所示，结果如下：

（1）裂纹产生于内壁坡口加工的凹槽处，由内壁向外壁方向扩展，近内壁的裂纹较为笔直，无分叉，裂纹尖端处存在分叉，裂纹内存在氧化物；

（2）过渡管的母材显微组织为贝氏体+铁素体，球化1～2级，晶粒度为4～5级；过渡管热影响区的显微组织为贝氏体+铁素体；水冷壁管母材的显微组织为铁素体+珠光体，球化2级，晶粒度为7～8级；水冷壁管热影响区的显微组织为珠光体+铁素体；焊缝的显微组织为贝氏体。

1.3 扫描电镜分析

1.3.1 金属基体成分分析

在FEI Quanta 400型扫描电镜和OXFORD INCA Energy X射线能谱仪下对管样进行能谱成分分析，结果如表1所示。结果表明：管样各部位的材质与设计材料相符，过渡管材质为SA-182 F22，过渡管下方的水冷壁管样材质为15CrMoG，不存在错用材料问题。

图1 管样各部位宏观形貌

图2 管样各部位显微组织形貌

表1 管样能谱成分分析结果 %

1.3.2 能谱分析和断口形貌分析

使用FEI Quanta 400型扫描电镜对裂口进行SEM形貌观察，未清洗前的断口存在较厚的氧化皮，使用OXFORD INCA Energy X射线能谱仪对断口表面存在的氧化物进行成分分析。管样断口表面O、Fe含量较高，还有Si、Ca、K、Mg等。使用弱酸对断口表面进行清洗，清洗后的断口微观形貌如图3所示。由于介质泄漏已将大部分裂口吹损，部分未吹损的部位断口显示为脆性的穿晶断裂[1-2]。

图3 管样断口形貌

在FEI Quanta 400型扫描电镜和OXFORD INCA Energy X射线能谱仪下对试样裂纹内的氧化物进行半定量的能谱成分分析，结果如表2所示，微区分析位置如图4所示。结果表明：裂纹中的氧化物主要成分为O、Fe，还有Si、Cr、Mo、Mn、Mg、Ca等，未发现S、Cl等腐蚀性元素。

1.4 硬度试验

依据标准GB/T 4340.1—2009[3]在HVS-50型维氏硬度试验机上对管样各部位进行维氏硬度试验，荷载为98 N，保荷10 s。试验结果如表3所列。结果表明：试样各部位的硬度值均符合标准要求。

表2 裂纹内氧化物能谱成分结果 %

图4 裂纹内氧化物成分分析能谱位置

表3 硬度试验结果

2 原因分析

以上分析可知：水冷壁过渡管裂纹产生于内壁坡口加工的“V”字型凹槽处，并沿垂直于壁厚方向扩展至开裂泄漏。水冷壁过渡管的壁厚与下侧水冷壁管的壁厚不同，在焊接时需要对过渡管的坡口处进行加工，DL/T 869—2012[4]对内壁尺寸不相等而外壁平齐时厚度差的处理方法如图5所示，而过渡管坡口在实际加工中出现了凹槽，不符合DL/T 869—2012标准的要求，从而导致在凹槽处存在较大的应力集中[5-6]，在结构应力和内压应力的作用下，裂纹从凹槽处萌生，在机组启停、运行和调峰过程中逐渐由内壁向外壁扩展直至泄漏。

图5 DL/T 869-2012中内壁尺寸不相等而外壁平齐时厚度差处理方法

3 结论及建议

（1）导致水冷壁过渡管发生泄漏的原因是过渡管的内壁坡口加工处存在凹槽，凹槽处应力集中较大，在结构应力和内压应力的作用下，裂纹从凹槽处萌生，在机组启停、运行和调峰过程中逐渐由内壁向外壁扩展直至泄漏。

（2）加强焊接过程中的质量监督，严格按照标准要求对管样坡口进行加工，避免坡口处存在凹槽[7]，导致应力集中。