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超超临界锅炉水冷壁管典型横向裂纹分析研究蔡晖，殷尊，侯召堂，张红军西安热工研究院有限公司，陕西省 西安市 710032analysis and study on typical transverse crack of water wall tube of the domestic ultra-supercritical unitscai hui,yin zun, hou zhaotang, zhang hongjunxian thermal power research institute, xian 710032, shaanxi province, china厂甚至因此而频繁非计划停运，成为影响超超临界机组安全稳定运行的重要因素2。 超超临界锅炉水冷壁失效和开裂一直是国际研究机构关注的焦点，美国电力科学研究院于 2007 年对 pennsylvania power and lights brunner island 的 3 号机组 750mw 水冷壁的周向裂纹进行了研究。 认为虽然对于通过给水加氧处理来减少炉管开裂取 得效果，但随着运行条件的变化，炉管产生了新问 题，例如：低 nox 燃烧器的使用导致更长的火焰， 水冷壁管堆焊技术的使用，都是导致水冷壁管开裂 的因素。从调研的结果来看，国内的超超临界燃煤 机组锅炉水冷壁横向开裂失效具有一定的规律性， 为了分析研究掌握国内超超临界机组水冷壁横向开 裂失效情况，选取国产 41000 mw 超超临界燃煤 机组为研究对象，4 台锅炉同为超超临界参数变压 垂直管圈直流炉、一次再热、平衡通风、露天布置、 固态排渣、全钢构架、全悬吊结构 型锅炉。该 4 台同类型锅炉水冷壁自投运至今，标高为燃尽风与 燃烧器之间的炉膛水冷壁管表面均存在横向裂纹， 产生裂纹的部位及裂纹形态均相似。为了确保发电 设备部件安全运行，防止水冷壁管泄漏事故发生， 本文对其中 1 台锅炉存在典型横向裂纹的水冷壁管 割取管样进行试验分析研究，结合多种分析方法对 裂纹的产生原因和失效机理进行分析研究，并在此 基础上提出了针对性防范措施，同时对其它超超临 界机组水冷壁管安全运行提供技术参考3。2 试验材料和方法本文所研究取样管来自 a 侧墙靠近后墙处燃尽 风与燃烧器之间，水冷壁向火侧对接接头熔合线及 附近母材均存在表面横向裂纹的 1 根典型管样，其 材质为 sa213 t12，由 28.65.9 mm 的 4 头内螺纹 管加扁钢焊成，节距为 44.5 mm，出口介质温度为 421。abstract: typical transverse crack of water wall tube ofthe ultra-supercritical units was studied by means of magnetic particle testing，microstructure analysis，hardness testing， scanning electron microscopy ( sem) ，eds analysis and tensile teststhe results show that the surface transverse cracksof water wall tube are thermal fatigue cracks under axial alternating stress and the presence of corrosive media expansion accelerated thermal fatigue cracks. to prevent such failures, it is suggested that the relevant plants have taken effective targeted preventive measures, which can provide technical reference for water wall tube safe operation of otherultra-supercritical units.key words: water wall tube; transverse cracks; corrosivemedia; thermal fatigue摘要：对超超临界燃煤机组水冷壁管普遍存在的横向裂纹进行试验分析研究，通过 割取典型管样进行磁粉检测、显微组 织分析、硬度试验、扫描电镜能谱分析和拉伸性能试验，结 果表明该锅炉水冷壁管表面横向裂纹是轴向交变应力作用 下产生的热疲劳裂纹，腐蚀介质的存在加速了热疲劳裂纹的 扩展。为防止此类失效问题，建议相关电厂采取了有效的针 对性防范措施，同时对其它超超临界机组水冷壁管安全运行 提供技术参考。关键词：超超临界；水冷壁管；横向裂纹；腐蚀介质；热疲劳；1 引言随着国家节能减排战略实施，我国已投产和在 建的超超（含高效超超）临界机组规模均居世界首 位，创造了巨大经济和社会效益，标志着我们在超 超临界火电技术领域有了跨越式的发展，火力发电 技术与国外缩短了 3040 年，达到国际先进水平， 并引领了火电技术的发展1。但随着超超临界运行 机组的增多，运行时间的延长，水冷壁早期失效、 开裂引起爆漏问题逐渐显现并越来越突出，某些电利用磁粉探伤仪对水冷壁管样进行磁粉检测；对存在表面横向裂纹的在 zeiss lsm 700 型激光共 聚焦扫描显微镜下观察显微组织；在 vickers 452svd 型维氏硬度试验机上进行维氏硬度试验； 利用 fei quanta 400hv 型扫描电子显微镜和 edax 能谱仪进行能谱成分分析；在 sans cmt5205 型电 子拉伸试验机上进行室温拉伸性能试验。3 试验结果及分析3.1 水冷壁管裂纹特点用角磨机打磨掉外壁氧化垢层后露出金属光泽 进行磁粉检测，发现水冷壁管向火侧对接接头的上、 下两侧各 20mm 范围内的熔合线和母材上均存在多 条裂纹，横向平行分布，见图 1。下侧热影响区硬度介于下侧母材与焊缝之间。(a) 上侧母材金相组织(b) 靠近上侧熔合线的焊缝和热影响区裂纹形貌图 1 水冷壁管向火侧横向裂纹fig. 1 transverse cracks of the fire-facing side of water wall tube3.2 显微组织分析显微组织分析结果见图 2，结果表明水冷壁管 靠近上侧熔合线的焊缝和热影响区存在密集裂纹平 行分布，裂纹均由外壁向内壁扩展，最深为 1.1mm， 裂纹尖端穿晶走向，其中充满腐蚀产物；靠近下侧 熔合线的焊缝和下侧母材均存在裂纹，裂纹最深为 0.3mm，裂纹均由外壁向内壁扩展，尖端呈穿晶走 向，其中充满腐蚀产物；两侧母材组织均为铁素体+ 珠光体，组织正常，球化级别为 12 级，上侧母材 平均晶粒度为 67 级，下侧母材平均晶粒度为 78 级；焊缝组织正常，为回火贝氏体。3.3 硬度试验水冷壁管对接接头的维氏硬度分布见图 3，表 明上侧母材硬度值为 185188hv10，焊缝硬度值 为 270296 hv10，上侧热影响区硬度介于上侧母 材与焊缝之间，下侧母材硬度值为 170176hv10，(c) 靠近下侧熔合线的焊缝裂纹形貌(d) 下侧母材裂纹形貌图 2 水冷壁管显微组织分析结果fig. 2 microstructure analysis of water wall tube依据 asme sa-213/sa-213m 对 t12 钢维氏硬度不大于 170hv 的技术要求，管样上、下侧母材的 硬度值较标准值偏高；标准 dl/t 869-2012 规定“同 种钢焊接接头热处理后焊缝的硬度，不超过母材布 氏硬度值加 100(hbw)，且不超过下列规定：合金 总含量 小于 或等于 3% ，布氏 硬 度值不 大于 270hbw”，依据 din en iso 18265-2004 中布氏硬度值与维氏硬度值的换算，可以得出试样的焊缝 硬度值较标准值偏高。准 asme sa-213(2010)对 t12 的要求偏低，下侧母材背火面断后伸长率满足要求。310300290280270260250240230220210200190180170160150图 4 最深裂纹的尖端腐蚀产物能谱分析位置fig. 4 eds analysis location of corrosion products of the deepest crack tip表 1 最深裂纹的尖端腐蚀产物能谱分析结果(wt%)tab. 1eds analysis of corrosion products of the deepest crack tip (wt%)-12 -10 -8 -6 -4 -202468 10 12到焊缝中心的距离(mm)图 3 水冷壁管对接接头维氏硬度分布fig. 3 vickers hardness distribution of water wall tube butt joints3.4 扫描电镜能谱分析对水冷壁管最深裂纹的尖端腐蚀产物进行能 成分半定量分析，能谱分析位置如图 4 所示，能 分析结果见表 1 和图 5。其中谱图 2、谱图 8、谱 9、谱图 11、谱图 12、谱图 5 是沿着腐蚀产物的间部位从外壁向内壁依次进行的能谱分析，结果表2220181614121086420明该部位主要成分为 fes，且腐蚀元素 s 含量沿着腐蚀产物的中间部位从外壁向内壁依次降低，靠近 外壁部位的谱图 2 位置 s 含量最高，靠近内壁部位 的谱图 5 位置 s 含量最低，而 cr 含量沿着腐蚀产物的中间部位从外壁向内壁依次升高。谱图 1、谱图4、谱图 6、谱图 7 位于腐蚀产物的两侧部位，腐蚀元素 s 含量较低，基本成分为 fe 的氧化物，主要是fe3o4。3.5 室温拉伸性能试验水冷壁管的室温拉伸试验结果如表 2 所列，由 表可知管样上、下侧母材向火面、背火面的抗拉强 度、规定 非比例延 伸强度均 满足标准 asme sa-213(2010)对 t12 的技术要求，管样上侧母材向 火面、背火面和下侧母材向火面断后伸长率相比标谱 图2谱 图8谱 图9谱 图11能谱分析位置谱 图12谱 图5图 5最深裂纹的尖端腐蚀产物中间部位能谱分析结果(wt%)eds analysis of central corrosion products of the deepest crack tip (wt%)表 2 取样管室温拉伸试验结果fig. 5维氏硬度(hv10)能谱分析结果(wt%)scr谱图位置cosiscrmnfe谱图 10.1624.980.553.431.830.6268.44谱图 20.2815.44/20.790.38/63.11谱图 40.1624.330.634.901.830.7067.45谱图 50.207.65/2.742.050.5886.79谱图 60.2524.540.633.861.930.4968.30谱谱图 70.2730.370.702.321.560.5164.26谱图 8谱0.3121.40/12.850.970.5963.88谱图 9图0.2521.070.5110.611.070.5465.96谱图 110.1922.980.458.751.540.7165.39中谱图 120.1724.620.584.441.760.3868.05左侧母材haz焊缝haz右侧母材tab. 2 room temperature tensile test results of sampling tube管壁 fe 发生反应，腐蚀速率与烟气中硫化氢的浓度几乎成正比。此外在 350400时硫原子很容易与 钢直接反应生成硫化亚铁形成高温硫腐蚀，并且从 450开始，其对炉管的破坏作用相当严重10。以 上反应如下：h2s+fefes+h2 h2s+feofes+h2ofe+sfes(3)(4)(5)(4) 生成的 fes 又进一步氧化生成 fe3o4，使管壁腐蚀。3fes+5o2fe3o4+3so2(6)4 讨论锅炉受热面管的失效是材料、环境、温度、应 力等因素综合作用的结果。对于在正常壁温下具有 足够强度的锅炉钢管，高温长期运行下，当管壁温 度超过允许值或管壁温度长期波动时，锅炉钢管会 因金属强度下降或金属疲劳而破裂4。该锅炉水冷壁为全焊式膜式水冷壁，轴向刚性 较大而横向刚性相对较小。并且表面产生横向裂纹 的水冷壁管正处于热负荷最高区域，锅炉启停和不 同工况下导致管壁温度大幅度波动，产生轴向交变 热应力，由于向火侧壁温变化最大，向火侧壁温峰 值也加大，产生的交变热应力也最大，最终导致材 料的抗热疲劳能力降低，造成向火侧管壁外侧发生 热疲劳破坏5。另外，此次取样的表面产生横向裂纹的水冷壁 管位于最上层燃烧器附近，由于燃烧器喷出的燃料 煤中硫及其它有害杂质的存在，使水冷壁管普遍受 到高温硫腐蚀，腐蚀区域易于成为应力集中点和裂 纹源6-8。具体过程分析如下9：(1)煤粉中的中的黄铁矿 fes2 受灼热分解，产生 自由态的硫原子。在轴向交变应力和腐蚀介质的共同作用下，金属的抗热疲劳强度降低，最终水冷壁管产生横向裂 纹。该锅炉水冷壁管表面横向裂纹的产生模型如图 6 所示，水冷壁管向火侧外壁的最外层主要为疏松 的煤、灰，外壁内层为致密的氧化垢层，在热疲劳 裂纹形成和扩展过程中，高温下伴随明显的氧化和 腐蚀。由于腐蚀过程首先是生成 fe 的硫化物，继而 进一步氧化生成 fe 的氧化物，裂纹中 fe 的硫化物 和氧化物不断裂开，新的腐蚀介质不断进入发生反 应，加速了热疲劳裂纹的扩展，裂纹内的腐蚀产物 表现为内侧的腐蚀产物主要成分为 fes，外侧的腐 蚀产物成分以 fe 的氧化物为主，主要为 fe3o4。上 述分析结果可以通过能谱分析结果得到验证。煤、灰fes 裂缝fe3o4氧化垢层管金属管金属fes2fes+s(1)(2)若管壁周围存在一定浓度的 h2s 和 so2，也会生成自由的硫原子。 2h2s+so22h2o+3s(2)图 6 该锅炉水冷壁管表面横向裂纹的产生模型fig. 6 generated model of the surface transverse cracks of water wall tube综上所述，水冷壁管表面典型横向裂纹是轴向交变应力作用下产生的热疲劳裂纹，腐蚀介质的存 在加速了热疲劳裂纹的扩展。5 结论(3) 分解出来的硫，由于缺氧，硫的燃烧和 so3的形成比较困难。在 h2s 浓度不变时，若管壁温度 低于 300，则水冷壁不腐蚀或腐蚀很慢；若壁温 在 300500范围内，则腐蚀速度与壁温呈指数关 系，壁温每升高 50，腐蚀速度增加一倍。h2s 气 体具有渗透作用，它可穿过疏松的 fe2o3 层和致密 的磁性氧化铁层(fe2o3feo)与其中复合的 feo 以及试样抗拉强度rm(mpa)规定非比例延伸 强度 rp0.2(mpa)断后伸 长率a(%)管样上侧母向火面55739723材背火面55338725管样下侧母向火面57441624材背火面55040226标准 asme sa-213(2010) t12 规定：rm415mpa，rp0.2220mpa，纵向 a26。该国产 1000mw 超超临界机组水冷壁管表面典型横向裂纹是轴向交变应力作用下产生的热疲劳 裂纹，腐蚀介质的存在加速了热疲劳裂纹的扩展。 为防止此类失效问题，建议相关电厂采取了以下有 效的针对性防范措施：1) 重视入场煤质的检测控制，对燃用煤种含 硫量进行标煤下的折算，要求折算标煤后的含 sar 量1%；2)加强燃烧工况调整、合理配风，确保炉膛 火焰中心位置适宜，不发生偏斜或冲刷炉墙现象； 3)在机组启停、调峰过程中严格遵守操作规 程，并在最上层燃烧器附近加装壁温测点，避免水冷壁管壁温度大幅度波动，避免关停锅炉强制冷却， 限制机组长期低负荷运行时间；32(1)：44liu zhaojunthe cause and solution for high temperature corrosion on boiler water walljhuadian technology，2010，32(1)：44 刘鸿国，蔡晖，唐丽英超超临界机组水冷壁高温腐蚀问题的探讨 j腐蚀与防护，2009，30(8)：588liu hongguo，cai hui，tang liyinghigh temperature corrosion of water cooling wall of extrasupercritical unitsjcorrosion and protection，2009，30(8)：588 周颖驰锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及对策j热力发电，2013， 42(7)：139zhou yingchihigh-temperature corrosion of water wall tubes in a supercritical boiler：cause analysis and countermeasuresjthermal power generation，2013，42(7)：139 郭鲁阳，孙旭光，刘志超，等锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及预 防对策j中国电力，2000，33(10)：18guo luyang，sun xuguang，liu zhichao，et alcause analysis of hightemperature corrosion of boiler water wallsjelectric power， 2000，33(10)：187894)避免在高负荷区域形成还原性燃烧气氛，减轻炉管外壁高温腐蚀程度；5)严格控制炉水工况和汽、水品质，减少管 内结垢，从而降低向火侧壁温升高趋势。10 陈鸿伟，李永华，梁化忠锅炉高温腐蚀实验研究j中国电机工程学报，2003，23(1)：167-168chen hongwei，li yonghua，liang huazhongexperimental study on boiler high temperature corrosionjproceedings of the csee， 2003，23(1)：167-168参考文献1刘鸿国等新型耐热钢用于超超临界机组锅炉出现问题的分析对策j电力建设，2012，33(2)：56-59liu hongguoproblems analysis and countermeasures for new type of heat-resistant steel applying in usc boilerjelectric power construction，2012，33(2)：56-59 蔡晖，刘鸿国，洪道文，等超超临界锅炉水冷壁开裂原因分析 j电力建设，2010，31(8)：59-62cai hui，liu hongguo，hon