摘要：某电厂1#炉进行水压试验时，前水冷壁下部散管弯头处发生泄漏。对泄漏处的管子取样进行宏微观检查和理化检测分析。分析结果表明：该弯头泄漏的原因是，弯管时该弯头内壁受到了外来的挤压力并产生垂直于关闭剪应力，从而造成弯头开裂泄漏。
关键词：水冷壁散管；泄漏；挤压
某电厂1#炉进行水压试验压力升至5.5MPa时，前水冷壁下部左数第4根散管弯头外弧侧发生泄漏。泄漏弯头材质为20G，规格为Φ60x5mm。泄漏管子的宏观形貌见图1所示。
图1 送检样品的宏观形貌
1.检验及分析
1.1宏观检查
对送检样品进行宏观检查，直管段未发现胀粗或壁厚减薄。样品弯头区圆滑过度，弯头区域未发现弯管时磨具造成的褶皱。泄漏裂纹位于弯头外弧侧，在弯头上横向分布，长度约占1/10圆周，见图1至图3所示。游标卡尺测得外壁裂纹长17.2mm，内壁裂纹长15.8mm。
图2 管子泄漏处的形貌 图3 2#试样内、外壁裂缝形貌（a：试样内壁，b：试样外壁）
从图2图3中看到泄漏处的裂纹为穿透型，裂纹两侧的表面均发生错位，产生了台阶。从图3中可以看到，紧靠裂缝的内壁受到过外力挤压，该处产生了凹陷变形。
观察2#试样纵剖面可发现，裂缝为横向裂纹，裂纹两侧存在明显的错位台阶。且裂纹及其附近区域发生了明显的壁厚减薄，该区测量最小壁厚为3.61mm。远离裂纹区壁厚未发现明显减薄，该区两端及中间的测量壁厚为4.61、4.61和4.62，平均壁厚4.62mm。
图4 2#试样纵剖面裂纹形貌
1.2化学成分分析
化学试样在直读光谱仪（型号为QSN750）下进行化学成分分析，结果见表1。检测结果表明:送检样品的化学成分符合GB/T5310-2017对20G的要求。
表1 送检样品的化学成分（Wt%）
1.3布氏硬度检测
送检样品直管段较短，无法进行拉伸试样。在1#试样纵剖面、2#试样纵剖面上远离列裂纹区进行布氏硬度试验，试验仪器型号为HB-3000，试验结果见表2所示。检测结果表明:送检样品母材的布氏硬度符合GB/T5310-2017对20G的要求。
表2-2 1#试样和2#试样布氏硬度检测结果（HBW2.5/187.5）
1.4金相检验
1#试样和2#试样经过磨制和抛光后，用4%的硝酸酒精浸蚀。浸蚀后在Axiovert 200 Mat光学显微镜进行微观金相检验。检验结果如下：1#试样金相组织为铁素体加珠光体，带状组织1.5级，晶粒度8.5级；2#试样远离裂纹区域金相组织为铁素体加珠光体，带状组织1.5级，晶粒度8.5级；2#试样裂纹区域金相组织为铁素体加珠光体，晶粒度8.5级，带状组织1.5级，且裂纹附近带状组织向内壁弯曲变形。金相组织形貌见图5至图7所示。
金相检测结果表明：送检样品直管段和弯头处的金相组织和晶粒度符合GB/T5310-2017对20G的要求。
图5 1#试样组织形貌200x
图6 2#试样远离裂纹处组织形貌500x
2.检验及分析
2.1 送检样品的理化检测分析结果表明：送检样品直管段的化学成分、布氏硬度、金相组织和晶粒度均符合GB/T5310-2017对20G的要求。
2.2 查阅相关资料了解到，该样品弯管方式为冷弯，弯曲半径为120mm，弯曲角度为120°，该样品的公称尺寸为Φ60x5mm，由此可知该样品弯管区域的变形量较小。弯管区外弧侧由于受拉伸变形，会导致外弧侧壁厚减薄。弯头处变形量较小，故外弧侧壁厚减薄较小，与外弧侧壁厚实测结果一致（2#试样远离裂纹区壁厚4.62mm）。
2.3布氏硬度检测结果表明，弯头弯曲变形区的布氏硬度为224HBW，远高于直管段的硬度（155HBW）。同时送检样品弯管段由于采用冷弯工艺进行弯管，故弯管段存在加工硬化，且弯曲后未进行消应力退火或消应力退火不足，导致弯管段存在较大的残余弯曲应力[1]。
图7 2#试样裂纹附近组织形100x
2.4 样品的壁厚尺寸测量结果表明，弯头外弧侧的平均壁厚比公称壁厚小约0.4mm（5-4.6）。裂纹处的壁厚比弯头外弧侧的平均壁厚小1.01mm（4.62-3.61），内壁裂纹一侧存在明显的挤压变形痕迹，说明裂纹处的壁厚减薄，是由于该处内壁受到了较大的垂直于管壁的挤压力[2]。
2.5裂纹两侧的宏微观形貌对比，可以观察到只有紧靠裂纹的组织发生了垂直于管壁的弯曲变形，裂纹附近和远离裂缝区域的组织未发生弯曲变形。结合裂纹位于管子的弯曲变形处受到的是轴向拉应力，不会导致微观组织发生垂直于管壁的弯曲变形。由此说明，裂纹的产生，是弯头外弧侧管子内壁受到了垂直于管壁的剪切应力造成的，不是沿弯头轴向的拉应力造成的[3]。裂缝外表面长度比内表面长，及紧靠裂缝的组织发生了弯曲变形，说明裂缝是从外表面先开裂的。
2.6 裂纹处的宏观微观可以观察到，弯头开裂前，裂缝一侧内表面凹陷形成台阶，且该侧内表面圆弧面受到垂直于管壁的挤压，产生了变形减薄。该挤压力使内表面形成台阶且在台阶处形成剪应力。由此推断弯头泄漏，是弯管时台阶在剪应力作用下形成裂缝造成的。
4.结论
3.1送检样管的化学成分、金相组织和晶粒度均满足GB5310-2017标准对20G的要求。
3.2通过对送检样管进行分析，可以推断该弯头泄漏的原因是，弯管时该弯头内壁受到外来的挤压力并产生剪应力作用造成开裂。
参考文献
[1]周昕等.火力发电厂锅炉受热面失效分析与防护[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2]李彦林等.锅炉热管失效分析及预防[M].北京：中国电力出版社，2005.
[3]蔡文河，严苏星.电站重要金属部件的失效及其监督[M].北京：中国电力出版社，2009.
作者简介
龚巍（1984-），男，工程师，主要从事锅炉耐热钢性能和使用方面的研究及失效分析工作。
论文作者:龚巍1,2,史丹1,2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/24
标签：裂纹论文; 试样论文; 弯头论文; 金相论文; 样品论文; 组织论文; 形貌论文; 《电力设备》2019年第12期论文;