水冷壁让位弯管爆管失效分析

何 华

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北分公司，西安 710021)

0 引言

发电厂锅炉受热面管失效给发电企业带来了极大的经济损失，困扰着企业的安全生产。据粗略统计，炉内四管(过热器管、再热器管、水冷壁管、省煤器管)事故占国内锅炉事故总数的2/3左右[1-5]。电站水冷壁管由于长期在高温高压腐蚀等恶劣条件下运行，发生爆管泄漏是热电厂常见的事故。电站直流锅炉后墙水冷壁折焰角下部向火侧，从炉左往炉右数第26根水冷壁管子上存在2个泄漏点。

通过宏观检查、金相组织试验、内壁氧化皮检查等方法，对该电厂锅炉的水冷壁爆管原因进行分析，提出相应的改进措施。

1 设备概况

该锅炉为亚临界一次中间再热自然循环锅炉，为单炉膛、露天布置、全钢构架、平衡通风、固态排渣燃煤汽包炉。水冷壁2个泄漏点位于折焰角下部(见图1、图2)，为防止膜态沸腾, 设计材料为210C钢，规格为φ63.5 mm×7 mm的内螺纹鳍片管, 管内介质设计温度为366 ℃，工作压力为19.83 MPa。截至本次泄漏，已累计运行87 993 h，起停102次。

图1 爆管位置示意图Fig.1 Location of explosion pipe

图2 2处泄漏点宏观形貌Fig.2 Macro morphology of two leakage points

2 试验结果

2.1 宏观检查

经现场查看，管系上存在2个泄漏区域，分别位于两根管子上(从炉左往炉右数第25、26根)，原始泄漏点位于让位管密封盒上部水冷壁制造厂手工电焊焊缝上(标高4 100 mm)。爆口检查发现该焊缝上存在一处贯穿性孔洞(直径1.5 mm)，见图3。将管子从孔中心剖开，如图3所示，图中红色箭头为冲刷方向，原始泄漏点冲蚀痕迹由原始气孔内向外，从临管反冲过来的介质冲蚀方向为从外壁朝内，根据介质对管壁冲蚀痕迹可以看出，该孔洞为原始泄漏点。

相邻的第27根管道及本管上又发现7处吹损的泄漏点，吹损顺序及形貌见图4，通过外壁冲蚀痕迹也可判断该孔洞为原始泄漏点。

图3 焊缝气孔及剖面图 Fig.3 Section of weld hole

图4 吹损部位及顺序示意图Fig.4 Diagram of the area and order of blow damage

爆口位于距原始泄漏点上部2.39 m密封盒让位管外弧处，爆口形貌呈喇叭状，纵向长80.39 mm，最大开度45.91 mm，边缘光滑、锐利，呈撕裂状。对爆口周边进行测厚，结果见图5，管壁厚度从7 mm减薄至不足3 mm。爆口附近未观察到微裂纹且管段胀粗，管子的横截面由原始的圆形变成椭圆形，内壁无明显氧化皮。以上均是短期过热爆管的基本特征[6-7]。

图5 爆口周边测厚结果 (单位：mm)Fig.5 Thickness testing results around the explosion mouth (unit:mm)

2.2 显微组织分析

在爆口处沿横截面截开制备含爆口的金相环，取样后进行浸蚀，在Leica DMI 3000M型光学显微镜下对管样进行显微组织观察，依据DL/T 884—2004[8]及DL/T 674—1999[9]对送检管样进行金相显微组织分析与评定。

图6为含爆口金相环显微组织。由图6可见：爆口处显微组织为铁素体+贝氏体，珠光体碳化物已球化，此时的过热温度约在Ac1～Ac3；而远离爆口位置的显微组织为铁素体+珠光体，珠光体和铁素体呈带状取向特征，带状取向特征是轧制时变形所致。结合爆口形貌分析，爆口为短时超温所致[10]。

2.3 氧化皮厚度测量

对含爆口金相环显微组织试样在金相显微镜下进行内外壁氧化皮精确测量，测量位置及结果见图7。含爆口金相环爆口处附近的内外壁氧化皮较薄，内壁氧化层平均厚度约25 μm，外壁氧化层平均厚度约68 μm，氧化皮厚度及形态未见异常。

图6 含爆口金相环显微组织 Fig.6 Microstructure of the ring section with explosion mouth

图7 内外壁氧化皮及其测量位置Fig.7 Oxidation skin of inner and outer walls and its measurement position

3 分析与讨论

原焊缝中的气孔是在焊接过程中，熔池中的气体未完全溢出熔池(一部分溢出)，而熔池已经凝固，在焊缝表面形成。该气孔在制造厂后续的检测中，处于射线检测的盲区，难以检出，遗留于制造焊缝中。在运行过程中，当管内炉水含O量较高时，紧贴在炉管内壁的积垢产生不同浓度的氧。积垢会引起严重的局部腐蚀，金属极易被溶掉，容易造成垢下腐蚀；此外，该气孔已经破坏了内壁的保护膜，pH值过低的炉水会发生酸性腐蚀。经过长时间的垢下腐蚀和酸腐蚀，焊缝气孔逐渐向外扩展直至穿透，发生泄漏。宏观检查可发现该气孔为原始泄漏点，该泄漏点造成管与临管间相互吹损，加大了泄漏面积与流量，管内介质流量因此而减少，导致上部管段产生短时过热，最终发生爆管。

4 改进措施

1)在结构相似、温度较高部位增加温度测点，运行中加强监控；

2)对所有密封盒让管对接焊缝进行射线检测，对让管对接焊缝内外侧密封焊角焊缝及附近区域进行渗透探伤；

3)对所有让管弯管外弧进行宏观检查及壁厚测量，对折焰角区域其他水冷壁直管段进行宏观检查及测厚抽查；

4)在下次启动前进行水压试验。

5 结论

1)水冷壁让位弯管爆管原因为：基建期遗留在管内壁焊缝上的气孔在长期运行过程中受到腐蚀扩展至穿透管壁；

2)泄漏蒸汽对爆管与邻近管进行来回吹扫，导致管内介质减少，该管上部弯头产生短时过热，最终发生爆管。