电站锅炉水冷壁折焰角爆管原因分析

柯 浩 孙 涛 徐雪霞王 勇 欧阳杰 孙 澎 河北省电力公司电力科学研究院

华能上安电厂1号炉为亚临界自然循环炉,型号为HG-1025/18.2-YM3,一次中间再热；采用双拱型炉膛,“W”火焰燃烧,尾部双烟道,平衡通风,固态排渣。

1号炉于1990年8月12日投入运行,累计运行时间约为16万h。

2012年6月10日，运行人员发现1号炉声纳报警异常，检修人员检查后怀疑水冷壁发生泄漏，因声音不大，未停炉坚持运行。7月18日，炉膛负压大幅波动，水位不能维持，采取停炉。停炉后经检查发现水冷壁折焰角部位有两处爆口，爆口位于同一根水冷壁管，吹灰器IR32东数第14根管，具体位置如图1所示。

该水冷壁为内螺纹管，材质为SA210A，规格57×7mm，2012年1月大修时曾进行酸洗。

图1 爆口位置示意图

1 爆口宏观分析

爆口A位于水冷壁向火侧，管子内弧面，爆口纵向15mm，环向7mm，爆口边缘内壁存在二次裂纹；爆口A周围外表面有明显的汽水冲刷痕迹，以爆口A为中心的外表面周围结焦严重，其他位置管子上无明显结焦；管子内壁无明显氧化皮，但附近存在少量点蚀坑。爆口A附近管子无明显减薄，胀粗，除爆口位置存在向外的突出鼓包外，其他位置无变形。爆口A照片见图2，横截面和管子内壁见图3、图4。

图2 爆口A外表面

图3 爆口A横截面

图4 爆口A内表面

爆口B位于水冷壁向火侧，弯头背弧，沿管子纵向开裂破断，爆口窄长，爆口纵向撕开100mm，环向张开35mm；爆口表面粗糙，边缘管壁有所减薄但不严重，外表面周围存在微裂纹，内壁氧化皮未见明显增厚，除爆口位置外，附近管子未见明显胀粗见图5。

图5 爆口B

2 试验分析

对该水冷壁爆管进行化学成分分析，金相分析、力学性能检验，取样位置见表1：

表1 样品位置

2.1 化学成分

使用3460直读光谱仪对管子进行化学成分分析，符合标准ASME对SA210A的要求。

2.2 金相组织

使用OLYMPUS-GX71金相显微镜对爆管进行金相分析，侵蚀剂为4%硝酸酒精。从金相组织看，在爆口A边缘（鼓包位置）组织为铁素体+珠光体，珠光体球化4.5级，珠光体形态完全消失，晶界及铁素体基体上的球状碳化物已逐渐聚集长大，见图6。离开鼓包位置均为正常的铁素体+珠光体组织，珠光体球化2～3级，在鼓包区域边缘存在过渡区域组织，见图7。在爆口A边缘内表面存在氧化皮，厚度0.05mm，与爆口A边缘组织老化相对应，爆口边缘碳化物析出，未见脱碳现象，见图8。其他位置均为正常的铁素体+珠光体组织，珠光体球化2～3级。

在爆口A、B之间，靠近爆口A的JX2向火侧外表面组织为铁素体+珠光体，珠光体球化3.5级，珠光体区域中的碳化物已明显分散，并向晶界聚集，珠光体形态尚保留，见图9。JX2内表面还存在腐蚀坑，深度0.6mm。

爆口B边缘组织为相变组织，管壁温度超过Ac1，爆管后喷射出来的汽水快速冷却而得到的贝氏体，见图10。爆口B横截面的背火侧组织为铁素体+珠光体，珠光体球化3级，珠光体区域中的碳化物已明显分散，并向晶界聚集，珠光体形态尚保留，见图11。

远离爆口B的JX4组织为铁素体+珠光体，珠光体球化2级，珠光体形态明显，珠光体区域中的碳化物开始分散，其他试样的背火侧组织基本与该组织相同，珠光体球化2级，未见明显老化。

图6 JX1爆口A边缘

图7 JX1鼓包过渡区域组织

图8 JX1爆口A边缘氧化皮

图9 JX2向火侧外表面

图10 JX3爆口B附近

图11 JX3背火侧

2.3 力学性能检验

使用CMT5205电子万能试验机对管材进行拉伸试验，试验结果见表2，试验结果均符合ASME对SA210A要求。但从强度结果可以看出，在爆口A、B之间，靠近爆口A的管材LX1的向火侧强度较背火侧偏低，在爆口B附近管材LX2的向火侧强度较背火侧偏高。

3 分析与讨论

1）从运行情况和爆口A的宏观形貌可以看出，在6月10日声纳报警异常，应是爆口A发生泄漏，但由于漏点不大，未对锅炉造成直接影响，锅炉坚持运行。从爆口A金相分析结果可以看出，爆口A附近组织严重老化，但仅是鼓包区域，离开鼓包位置的组织正常，说明鼓包具有长时过热的特征。爆口A边缘碳化物析出球化，没有脱碳现象，排除了氢鼓包的可能，因此爆口A应是局部过热鼓包造成的爆管。

表2 力学性能结果

2）水冷壁在弯管、整形时，使用局部加热方式，会在弯管位置出现轻微鼓包，或者是呈直线排列的鼓包。这种鼓包当时的组织和强度不会出现老化和降低，但由于鼓包存在，工质在流动中无法对鼓包处的金属产生良好的冷却作用，还可能使鼓包位置的工质汽化，影响传热，造成鼓包处的金属壁温较高，导致鼓包处的组织发生老化，强度逐渐降低，是产生局部鼓包和过热原因。

3）由于爆口A泄漏后，水冷壁中的工质流量减少，对水冷壁的冷却作用减小，导致爆口A以上管段发生过热，管壁温度偏高，特别是直接受火焰影响的折焰角部位，经过39天的运行，7月18日发生爆管，爆口B位于弯头背弧最薄弱处。从爆口B的形貌看，没有产生氧化皮、树皮纹等长时过热特征，虽然爆口未明显增大，边缘壁厚未明显减薄，应是水冷壁管材料塑性不好造成；从爆口B边缘的金相组织和力学性能可以看出，管壁温度曾超过Ac1，爆管后喷射出来的汽水快速冷却，得到的相变组织，爆口周围管材的强度升高。从爆口A、B之间的管材金相组织和力学性能可以看出，管子向火侧外表面组织老化，强度降低，存在过热现象。因此爆口B具有短时过热爆管特征。

4）从力学性能结果可以看出，未鼓包处的管子性能满足要求，与金相结果相对应。

5）在爆口和鼓包位置的内表面，大部分管子无明显氧化皮、结垢现象，但附近存在少量点蚀坑，应该与腐蚀无关。

4 结论

综上所述，华能上安电厂1号炉水冷壁折焰角部位发生泄漏的主要原因是水冷壁鼓包过热，导致微小泄漏后，由于工质减少，冷却条件恶化，管壁温度升高，造成水冷壁管过热，管子强度降低，在弯头背弧最薄弱处发生爆管。

鼓包的原因可能是在制造时产生，不排除管内存在杂质堵塞，致使管材轻度超温，或在鼓包处由于介质传热不良导致局部严重超温，组织老化，强度降低，发生过热爆管。

2013－08－21）