分享：某超临界锅炉水冷壁管开裂原因

• 卢忠铭, 
 
• 封小亮, 
 
• 刘课秀

• 广州特种设备检测研究院，广州 510663

火电厂锅炉水冷壁管的可靠性直接影响电厂机组的安全有效运行[1-4]。某火电厂锅炉为超临界参数变压直流炉，是一次再热、单炉膛、尾部双烟道、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，锅炉设计压力为25.4 MPa，额定蒸汽温度为571 ℃，锅炉参与深度调峰。该锅炉累计运行时间约5.9万h后，其水平烟道右侧墙水冷壁管出现泄漏现象。笔者采用一系列理化检验方法分析了该水冷壁管的泄漏原因，并提出了有效的预防措施，以防止该类事故再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

开裂水冷壁管宏观形貌如图1所示。由图1可知：1#、2#管对接接头的焊趾处均有横向裂纹；1#、2#、3#管母材表面区域均可见横向密集分布的裂纹。 

图  1  开裂水冷壁管宏观形貌

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人工打开2#、3#管焊趾处裂纹，断口宏观形貌如图2所示。由图2可知：裂纹已贯穿，外壁侧覆盖有浅黄色锈渍，内壁侧覆盖有深黄色锈渍[见图2（a）]；对断口进行清洗后，发现内壁侧有明显贝壳纹，并伴有多个台阶，呈疲劳开裂特征[见图2（b）]；图1（d）中横向裂纹断口呈暗红色，裂纹由外壁向内壁径向扩展，断面呈扇形[见图2（c）]；对断口进行清洗后，外壁侧断口可见贝壳纹，内壁侧断口可见较多台阶，呈疲劳开裂特征[见图2（d）]。 

图  2  2#、3#水冷壁管横向裂纹断口宏观形貌

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1.2   化学成分分析

对1#、2#、3#管取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：水冷壁管的化学成分符合GB/T 5310—2023《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG钢的要求。 

Table  1.  水冷壁管化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
1#管试样实测值	0.12	0.25	0.49	0.012	0.002	1.01	0.43
2#管试样实测值	0.13	0.24	0.47	0.010	0.005	1.01	0.43
3#管试样实测值	0.13	0.25	0.47	0.011	0.005	1.01	0.43
标准值	0.12~0.18	0.17~0.37	0.40~0.70	≤0.025	≤0.015	0.80~1.10	0.40~0.55

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1.3   力学性能测试

在1#、2#、3#管向烟侧和背烟侧各截取并制备一个纵向弧形试样，按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行室温拉伸试验，结果如表2所示。由表2可知：水冷壁管试样的力学性能符合GB/T 5310—2023对15CrMoG钢的要求。断后试样纵向、断口处均可见原始裂纹（见图3）。 

Table  2.  水冷壁管力学性能测试结果

项目	取样部位	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	断面收缩率/%
1#管试样实测值	向烟侧	460	329	23.5
	背烟侧	488	338	28.5
2#管试样实测值	向烟侧	527	405	24.0
	背烟侧	533	418	23.5
3#管试样实测值	向烟侧	490	339	22.5
	背烟侧	501	347	23.0
标准值	—	440~640	≥295	≥21

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图  3  3#水冷壁管纵向弧形拉伸试样断口宏观形貌

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1.4   金相检验

在1#、2#、3#管向烟侧和背烟侧横截面分别截取并制备金相试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：水冷壁管的显微组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，组织未见异常，符合标准GB/T 5310—2023对15CrMoG钢的要求。 

图  4  水冷壁管横截面显微组织形貌

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在1#、2#、3#管向烟侧和背烟侧纵截面分别截取并制备长度约为20 mm的金相试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图5所示。由图5可知：向烟侧内、外壁均可见垂直于试样表面的裂纹，裂纹最长约2 mm，外壁侧裂纹深度均大于内壁侧裂纹[见图5（a）~5（b）]；裂纹呈楔形，穿晶扩展，裂纹未见明显分支，外壁侧裂纹尖端有较多填充异物，外壁侧裂纹尖端较内壁侧钝，外壁氧化皮厚度约为0.2 mm[见图5（c）~5（f）]。 

图  5  水冷壁管纵截面微观形貌

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1.5   扫描电镜（SEM）及能谱分析

对2#管焊趾处断口进行扫描电镜及能谱分析，结果如图6所示。由图6可知：断口内、外壁均有多处台阶，可见疲劳辉纹，且具有多源疲劳开裂特征；靠近外壁侧断口表面存在S元素，质量分数约为1.5%。 

图  6  2#水冷壁管焊趾处断口SEM形貌及能谱分析结果

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对3#管横向裂纹断口进行扫描电镜及能谱分析，结果如图7所示。由图7可知：外壁侧断口可见明显贝壳纹花样，裂纹由外壁向壁厚方向径向扩展；内壁侧断口可见多处台阶，每处台阶内均可见贝壳纹花样，具有多源疲劳开裂特征。 

图  7  3#水冷壁管母材处横向裂纹断口SEM形貌（贝壳纹，多源）

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对3#管向烟侧母材纵截面金相试样上的裂纹进行扫描电镜分析，对裂纹尖端处填充物进行能谱分析，结果如图8所示。由图8可知：外壁侧裂纹尖端较钝，内壁侧裂纹呈楔形，无明显分支；外壁侧裂纹尖端填充物由Fe、O、S等元素组成，其中S元素质量分数约为4.8%，内壁侧裂纹尖端填充物主要由Fe、O等元素组成。 

图  8  水冷壁管向烟侧纵截面裂纹尖端SEM形貌及能谱分析结果

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2.   综合分析

水冷壁管的化学成分、力学性能和显微组织均符合GB/T 5310—2017对15CrMoG钢的要求，水冷壁管材料合格。水冷壁管母材及焊趾处断口处可见明显贝壳纹及多处台阶，断口裂纹扩展区可见疲劳辉纹，具有典型疲劳开裂特征。水冷壁管横向裂纹垂直于试样表面并沿壁厚深度径向扩展，外壁侧裂纹扩展深度大于内壁侧裂纹，裂纹深浅不一致且近似平行，裂纹呈楔形且无明显分支，管子在运行过程中承受与裂纹开裂方向垂直的轴向应力。水冷壁管外壁侧裂纹尖端硫元素富集，裂纹尖端圆钝，裂纹以穿晶扩展为主；内壁侧裂纹扩展以穿晶扩展为主。 

锅炉参与深度调峰运行时[5]，热载荷会在短时间内发生大幅改变，温度剧变会导致膨胀系统不协调，水冷壁管的最大变形量和应力也随之发生较大变化，变化的附加循环热应力会使水冷壁管发生热疲劳开裂。当外壁开裂后，腐蚀性烟气会加速裂纹扩展，最终导致水冷壁管发生泄漏。 

3.   结语及建议

水冷壁管外壁的开裂性质属于腐蚀疲劳开裂，内壁的开裂性质属于疲劳开裂。建议对该区域及类似区域管段的抽检范围扩大，对排查发现裂纹的管段及时进行更换；加强对火电厂入场煤中硫含量的检测控制，减轻含硫气氛对水冷壁管外壁的腐蚀；锅炉调峰运行和升降载荷期间，要严格遵守操作规程，控制载荷的变化速率，避免水冷壁管壁温大幅度波动及水冷壁管超温运行。