电站锅炉水冷壁管开裂失效分析

科技前沿

Ke Ji Qian Yan

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电站锅炉水冷壁管开裂失效分析

王福贵　邢　飞　赵金波

盘锦中化无损检测有限责任公司　124021

【摘　要】　本论文简单介绍了电站锅炉水冷壁失效模式、失效机理及失效分析的一些常规测试技术，涉及到力学、断口学、金相学、电子显微分析学等相关知识。结合水冷壁工作过程和工作的环境条件及失效实例，通过对管段化学成分分析，管段的宏观检查以及物相分析、显微分析、力学性能测定，综合分析了锅炉水冷壁管失效机理。了解锅炉运行期间的工作介质、热循环过程、热力分布等因素对水冷壁管开裂过程的影响。该锅炉水冷壁管材质为20#钢，20#钢的材料为优质碳素结构钢，在正常工艺条件下正常的机体组织为铁素体+珠光体。在水冷壁管爆管处附近迎火侧和背火侧切取金相试样，经研磨、抛光后制取了具有清晰和真实组织形貌的金相试样，在Leica 金相显微镜下对铁素体和珠光体形貌、晶粒状态、和析出相分布等进行了观察，又对试样进行了金属维氏硬度试验。通过对金相试样组织的观察和所测得的硬度值分析出导致水冷壁管失效的主要原因是短时过热，并对该失效预防措施进行了简单的阐述。

【关键词】　电站锅炉；水冷壁管；失效特性；失效分析

1　绪论

1.1失效分析简介

失效分析通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动，也就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。失效分析是一门综合性的质量系统工程，是一门解决材料、工程结构、系统组元等质量问题的工程学。它的任务是既要揭示产品功能失效的模式和原因，弄清失效的机理和规律，又要找出纠正和预防失效的措施[1、2]。

1.2失效分析的常规测试技术1. 化学成分分析

材料的性能首先决定于其化学成分。在失效分析中，常常需要对失效金属构件的材料成分、表面沉积物、氧化物、腐蚀物、夹杂物、第二相等进行定性或定量的化学分析，以便为失效分析结论提出依据。化学成分分析主要有化学分析法和光谱分析法。

2. 力学性能测试

金属的力学性能是指金属在外力作用下或外力与环境因素联合作用下所表现的行为。这种行为又称力学行为，宏观上一般表现为金属的变形和断裂。如果金属材料对变形和断裂的抗力与服役条件不相适应，就会使构件失效。常见的失效形式有过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损等。常见力学性能指标包括强度、塑性、韧性、硬度、耐磨性和缺口敏感性等。这些性能指标可通过拉升试验、冲击试验、硬度试验、磨损试验、疲劳试验、断裂试验等方法求得[3]。

3. 金相检验

金相检验是借助光学显微镜或电子显微镜，观察与识别金属材料的组成相、组织组成物及微观缺陷的数量、大小、形态及分布，从而判断和评定金属材料质量的一种检验方法。金相检验包括试样制备、组织显示、显微镜观察和拍照等四个步骤。

4. 残余应力测试

在失效分析中，经常要对失效的构件的残余应力进行测试。残余应力是指在无外加载荷作用下，存在于构件内部或在较大尺寸的宏观范围内均匀分布并保持平衡的一种内应力。金属构件经受各种冷热加工只之后，其内部或多或少都存在残余应力。而残余应力的存在对材料的疲劳、耐腐蚀、尺寸稳定性都有影响，甚至在服役过程中引起变形。宏观内应力的测定方法很多，如X 射线法及声学法等。

5. 物化性能测试

在构件失效中，有因燃烧、爆炸等巨大能量作用引起的。有混合的物料因静电点燃瞬间释放能量引起的。有两种物料混合反应的反应热使温度上升，引致物料体积膨胀，钢瓶承压上升，又钢瓶器壁减薄至强度不足而产生的。在失效分析时，要对燃烧热、反应温度、反应过程热量变化进行测定。

2　锅炉水冷壁管失效分析2.1检验背景

某石化公司热电厂的一台锅炉在正常使用期间，发生高温水冷壁管爆炸开裂事故，造成锅炉停产，影响企业安全生产，并造成了一定的经济损失。该锅炉水冷壁管材质为20#钢，内部介质为高压水汽混合物，工作压力9.8MPa，工作温度350o C。爆管分别发生在一处弯头和一处直管处，形成开口裂纹，导致停产事故。由于热电厂还有几台同型号锅炉，因此高温水冷壁管的开裂问题给企业的长期安全运行带来了极大的隐患。

为查明水冷壁管开裂原因，进而采取改进措施，避免同类事故发生，保证锅炉安全运行，热电厂对开裂炉管进行失效分析，了解锅炉运行期间的工作介质、热循环过程、热应力分布等因素对开裂过程的影响。

2.2失效分析及测试方法2.2.1微观组织分析

20#钢的材料为优质碳素结构钢，金相组织为铁素体+珠光体。首先制备金相试样，采用电火花线切割机分别在水冷壁管爆管处附近迎火侧和背火侧切取金相试样，试样切取部位如图2.1所示。在对所切取的试样进行研磨、抛光等步骤得到具有清晰和真实的组织形貌的金相试样[4]。用Leica 金相显微镜对所制取的金相试样的显微组织进行观察，观察结果如图2.2-图2.4

所示。

图2.1　金相试样切取部位示意图

图2.2为水冷壁管爆管处附近背火侧（1、5号试样）的金相组织，主要由铁素体和珠光体组成，是典型的低碳钢热轧状态的金相组织，说明爆管处附近背火侧水冷壁管材质没有发生珠光体球化。图2.3为水冷壁管爆管处附近迎火侧（2、3号试样）的金相组织，主要由铁素体基体和分布在铁素体晶界上的三次渗碳体组成，该组织中存在三次渗碳体说明珠光体发生球化。图2.4为水冷壁管迎火侧管径胀粗部位（4号试样）的金相组织，与图4.3的情况基本相同，是由铁素体基体和分布在铁素体晶界上的三次渗碳体组成。水冷壁管正常运行时的工作温度约350℃，当金相组织为铁素体+三次渗碳体，铁素体晶粒沿变形方向拉长，表明珠光体中的渗碳体已重度球化，故可说明此时该处水冷壁管在高温下运行，此时的温度应接近奥氏体转变起始临界温度A C1（AC1≈723℃），这已经大大超出了水冷壁管正常运行时的工作温度，说明该处水冷壁管已发生明显的局部过热。另外，在所有的金相组织中都没有观察到

明显的脱碳层。

　　　　　　　　　×200　　　　　　　　　×500　　　　　　　　　　　×1000

图2.2　水冷壁管背火侧（1、5

号试样）金相组织，白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体。

　　　　　　　　×200　　　　　　　　　　×500　　　　　　　　　　　×1000

图2.3　水冷壁管迎火侧爆管处附近（2、3号试样）金相组织，白色基体为铁素体，

晶界处的颗粒状析出相为三次渗碳体（由珠光体球化形成）

。

　　　　　　　　×200　　　　　　　　　　×500　　　　　　　　　　×1000

图2.4　水冷壁管迎火侧管径胀粗部位（4号试样）金相组织，白色基体为铁素体，

晶界处的颗粒状析出相为三次渗碳体（由珠光体球化形成）

2.2.2显微硬度测试

室温下对1-5号试样分别进行维氏硬度试验，分别对管壁外侧、中部和内侧进行测量，测量结果见表2.1。结果表明开裂炉管的维氏硬度在130~155HV之间。

表2.1　显微硬度测试结果

试样编号

测试点位置测量值1测量值2平均值管壁外侧133.0133.0133.001

管壁中部133.4131.4132.4管壁内侧144.3144.2144.2管壁外侧

148.5148.0148.202

管壁中部151.3151.1151.2管壁内侧154.0153.6153.8管壁外侧

132.3131.8132.003

管壁中部134.1135.2134.6管壁内侧132.5131.7132.1管壁外侧

127.0126.1126.604

管壁中部131.5132.9132.2管壁内侧130.7131.7131.2管壁外侧

144.2144.2144.205

管壁中部136.4135.7136.0管壁内侧

146.1

144.8

145.4

而且管壁外侧、中部和内侧的硬度无明显差别。由表2.1可知2号试样硬度值最高，达到150HV，对于20#钢的正常硬度取值范围小于等于156HB。维氏硬度与布氏硬度测量方法相似，对硬度较低的金属，HV与HB 值大致相同或相近，所以试样中最高硬度值并为超过20#钢所允许的硬度范围。

3　总结3.1总结

冷却工质流量或燃烧烟气温度失常是发生短时过热的初始原因。管子回路堵塞、上游管损坏、锅炉汽包失去水位、水循环不良或温水喷入过量，都能造成冷却工质流量失常。结垢松脱、安装中进入的杂物、螺栓、螺帽、金属屑、焊渣、飞灰以及工具等都是造成管子堵塞的因素。由于运行控制不严，排污不及时或没有排污，因此产生的水渣在下集箱的积存造成水循环不良，是一个漫长的积累过程，也应该引起足够的重视。如果仅仅发现破裂原因是短时过热，而未找到导致过热的根本原因，则任何分析都将难以正确判断诱发故障的原因，任何恢复锅炉正常运行的努力都将是无效的。

冷却工质流量特性较差的水平管段或斜管段容易发生短时过热损坏。查证短时过热损坏故障的根本原因是非常重要的，这需要对锅炉冷却工质回路或燃烧状况进行分析。此外，还应进行管子在各种不同传热率时的模拟实验，查明防止管内发生膜态沸腾需要怎样的流量和紊流条件。