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摘要：锅炉水冷壁管发生泄漏事故，将给电厂将造成巨大的经济损失。为此，本文针对某超超临界锅炉水冷壁管发生泄漏事故问题，采用故障树失效分析方法，从设计、制造、安装、运行等角度出发，对管样泄漏的可能性原因进行排除性分析，找出导致这一事故的影响因素，并给出处理建议，以确保锅炉的安全稳定运行。
关键词：锅炉；泄漏；实效；综合分析
引言
锅炉是电力公司中担当着重要的作用，其安全、正常运行影响着国家及区域的社会稳定。但是，由于锅炉的长时间处于高温、高压状态，不可避免地会发生一些事故。一般情况下，锅炉的水冷壁、再热器管、省煤气管和过热器管等“四管”常出现爆漏现象，这不仅影响着锅炉的正常运行，同时也给人们的生活和经济财产带来巨大的威胁。其中，锅炉水冷壁管泄漏事故是最为常见的。因此，对锅炉水冷壁管泄漏进行失效分析，明确爆泄原因，寻求预防和解决水冷壁管泄漏的方法，是一个亟待解决的问题。鉴于此，本文结合实例，对某超超临界机组锅炉水冷壁管泄漏事故进行失效分析。
1.失效分析工作方法与内容
本次爆管电厂寄送的管样宏观形貌和结构如图1所示。根据电厂提供的水冷壁图纸，该区域水冷壁管子和鳍片材料均为15CrMo，外形尺寸如图1（b）所示；其中，弯管部分宽鳍片简称H型鳍片，水冷壁直管键鳍片简称I型鳍片。
本文采用故障树分析方法（Fault Tree Analysis，FIA）从设计、生产、安装、运行等方面，对管样泄漏的可能性原因进行排除性分析，如表1所示。
式中：为最小需要壁厚；p为工质压力；Dw为外径；φb焊缝减弱系数；[σ]为许用应力；Cl为考虑腐蚀减薄的附近厚度。
鳍片尺寸规格如图1（b）所示，材质为15CrMoR.关于与管子焊接的鳍片用扁钢，要求其膨胀系数应与管子材质的相近，焊缝结构应当保证鳍片有效冷却，扁钢宽度的确定应当保证锅炉在正常运行中不超过其金属材料的许用温度。可知，扁钢和管子材质相同，膨胀系数相同；鳍片宽度的选择标准一般以鳍端温度与管子正面定点温度相等为准。根据锅炉厂的鳍片设计说明，鳍片宽度符合要求。
2.3管样尺寸检测
对管样的规格尺寸进行检测，结果显示水冷壁管子的外径和壁厚符合设计要求。I型鳍片实际尺寸与设计相符，而型鳍片厚度实测值为8~16.3mm，明显大于设计尺寸（10mm）。
鳍片尺寸是影响鳍片最高壁温的关键因素。据相关文献报道，鳍片壁温最高值Tf位于鳍片中心线上，在其他影响因素确定的情况下，Tf值与鳍片宽度平方成正比，与鳍片厚度成反比，如鳍片宽度增加，鳍片中心表面温度将大幅上升。因此对于鳍片超宽区域往往采用比正常区域更厚的扁钢或采用堆焊的方法增加其厚度。从这一角度考虑，H型鳍片实测厚度高于设计值对于鳍片的长期安全运行是有益的。
2.4化学成分分析
管子和鳍片的化学成分分析标准采用GB5310-2008和GB713-2014的相关规定，成分分析结果表明，电厂所用管样中的管子和鳍片化学成分均满足标准要求。
2.5微观断口形貌
为明确所送管样的H型鳍片的类型，对H型鳍片断口的形貌进行观察，取样位置如图4（a）所示，对试样纵截面进行低倍检测，可见角焊缝存在明显地未熔合、层缺陷等宏观缺陷，如图4（b）所示。
图4断口取样位置及其纵截面形貌
2.6显微组织分析
对管样漏口区域及较远区域的管子的显微组织进行了分析，如图6所示。结果表明；62号管子显微组织正常；有漏孔的59~61号管子内珠光体组织呈现不同程度的球化趋势，达到2~3级，这是由于水冷壁管泄漏后，蒸汽流量降低引起管子冷却不佳而壁温升高，在初始泄漏报警后的600h运行中，管子的超温服役加速了其珠光体组织的球化趋势。水冷壁管未发现蠕变裂纹及孔洞，表明管子非长期超温蠕变断裂失效，组织球化极有可能发生在管子泄漏后。
I型鳍片显微组织由铁素体+珠光体组成，珠光体区域完整，个别珠光体的层片状碳化物开始分散，趋于球状化，局部晶界有少量碳化物，见图7（a）；其角焊缝中未观察到珠光体，以针状铁素体（AF）为主，伴有少量长条形的先共析铁素体（GBF），见图7（b），是较为理想的焊缝显微组织。
泄漏区域H型鳍片组织呈明显球化状态，珠光体数量较少且内部碳化物为点状，晶界析出大量碳化物，见图7（c），其角焊缝显微组织如图7（d）所示，未观察到针状铁素体，以块状边界铁素体为主，可能是焊接中电流过大所致；晶界处观察到块状碳化物，局部呈链状，分析为过热期析出；晶粒边界观察到黑色圆洞，可能为焊接熔池结晶过程中形成的缩孔或是低熔点相在超温过程中熔化形成的孔洞，此类缺陷降低晶界强度；晶粒内观察到黄色块状物，多为在Ac1~Ac3之间的不完全相变产物，硬度极高，对合金的热强性影响较大。H型鳍片处角焊缝上述缺陷会造成焊缝晶间强度和热强性降低、韧性下降。角焊缝区域未发现蠕变损伤特征如三角晶界处的裂纹或孔洞，表明角焊缝处裂纹非蠕变损伤所致。
3.综合分析
3.1设计因素讨论
水冷壁及鳍片材质、规格的设计满足服役环境要求。此外，电厂另一台同类型的锅炉并未大范围发生类似的泄漏事故也佐证了这一点。
3.2制造因素讨论
水冷壁管后勤鳍片在制造方面无明显缺陷。
化学成分检测上，水冷壁管和鳍片的材质与设计相符，成分范围符合标准要求。外观尺寸上，只有H型鳍片厚度比设计值偏厚，但这对于降低鳍片壁温是有利的。泄漏的三根管子及附近的鳍片均发生了球化，相应的布氏硬度值与拉伸性能也有所下降，甚至低于标准下限值，这是由于管子泄漏后冷却效果降低，后期运行期间管子超温球化，力学性能也有所下降；为泄漏的62号管子及附近的鳍片显微组织、力学性能正常，表明管子及鳍片的原材料质量无异常。
3.3安装因素讨论
安装阶段的H型鳍片角焊缝的焊接质量较差。角焊缝纵截面低倍检测、断口形貌及显微组织检测均表明；H型鳍片安装角焊缝采取了未焊透形式，且有焊接缺陷（黄色块状物、疏松及气孔）。鳍片端部角焊缝是水冷壁结构中应力水平最高的部分，宽大的H型鳍片的冷却效果也较正常的I型鳍片较差。显然，这些焊接质量缺陷不仅降低较焊缝强度，增加此处的应力集中水平，还会在一定程度上降低水冷壁管对鳍片的冷却效果，进一步降低了角焊接强度。在长期运行中，宽鳍片角焊缝在较大热应力作用下产生热疲劳裂纹。
3.4运行因素讨论
从收集的运行数据分析，水冷壁出口端壁温测点显示无超温现象。锅炉燃烧稳定，泄漏区域无局部火焰偏烧现象。为泄漏62号管子各方面检测结果均合格也佐证了这一点。
4.处理建议
根据实效分析结果，此次水冷壁泄漏事故时由临近H型宽鳍片角焊缝开裂引起，而鳍片角焊缝开裂的主要原因有：（1）安装阶段未按设计要求采用焊透形式，导致此处宽鳍片冷却效果较差，造成此处宽鳍片壁温高于正常区域I型窄鳍片。（2）H 型宽鳍片角焊缝焊接质量差，存在较多焊接缺陷，降低了焊缝热强性及韧性。
基于以上失效原因，建议电厂：（1）在恰当时机，对水冷壁H型鳍片角焊缝进行改造，采用全焊透形式角焊缝。（2）对于已发现裂纹的水冷壁H型鳍片，择机更换或在裂纹末段做止裂孔，防止裂纹进一步扩展。（3）在检修过程中，加强此类焊缝的焊接质量监督工作。
5.结束语
总之，水冷壁是锅炉设备中薄弱环节，泄漏现象时常发生，影响锅炉的整体正常运行，因此需要及时进行故障分析，并及时处理，以确保其安全运行。本文针对某超超临界机组锅炉水冷壁管泄漏原因进行了综合失效分析，结果表明：水冷壁管泄漏的直接原因为宽大的H型鳍片角焊缝裂纹扩展至水冷壁管。进而根据失效分析结果，给出了处理建议，以杜绝泄漏事故的再次发生，延长锅炉的使用寿命。
参考文献：
[1]曹海兵，刘世刚.关于某锅炉水冷壁管爆管的失效分析[J].装备制造技术.2016（8）：208-210
[2]吴优福，侯召堂.超超临界机组水冷壁管弯曲处失效泄漏原因分析[J].发电设备.2017，31（3）：188-192
论文作者:朱运孟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
标签：水冷论文; 锅炉论文; 珠光体论文; 裂纹论文; 组织论文; 所示论文; 区域论文; 《基层建设》2018年第4期论文;