图 1试样1~3宏观形貌
水冷壁是设在锅炉炉膛内表面，由众多并联管子组合形成的蒸发受热面，其主要作用之一是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量，将水加热成饱和蒸汽，并降低炉墙温度，保护炉墙。运行中的水冷壁管常受到飞灰磨损、高温烟气腐蚀、水汽介质冲刷、过热组织老化、应力拉裂等作用，导致水冷壁失效[1]，影响锅炉的运行安全。对水冷壁失效原因进行分析，并采取有效的预防和监督措施，对机组的安全稳定运行具有重要意义。
某电厂4号1 000 MW高效超超临界前后墙对冲燃烧锅炉于2011年4月并网运行，2023年8月，因前墙垂直水冷壁管发生泄漏停机，累计运行时间为94 840 h。泄漏停机后检查发现水冷壁存在两个问题：一是前墙1根螺旋水冷壁管焊口发生泄漏，漏口位于前墙水冷壁正中心（E24短吹下方），标高为46 m，距C/F层燃烧器中心约12 m,水冷壁的材料为SA-213T2钢，规格为38.1 mm×7.5 mm(直径×壁厚)；二是左墙多根垂直水冷壁管存在横向裂纹，位置为左侧墙中间（水平方向）标高约52 m处，垂直水冷壁管材料为15CrMoG钢，规格为31.8 mm×7 mm(直径×壁厚)。笔者采用一系列理化检验方法对水冷壁管泄漏的原因进行分析，以避免该类事故再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
截取前墙泄漏部位3根螺旋水冷壁管段，其中泄漏管段标记为试样1，其左侧、右侧管子管段分别标记为试样2，3；截取左侧墙存在横向裂纹的2根垂直水冷壁管段，分别标记为试样4，5。
试样1~3的宏观形貌如图1所示。对试样1泄漏焊口及其附近母材区域进行修磨，其修磨着色后的宏观形貌如图2所示。由图1，2可知：试样1除焊口开裂的主裂缝外，相邻局部区域向火侧外表面还有多条平行的横向（周向）裂纹，裂纹沿管圆周延伸，裂纹由外表面向内表面扩展，裂源处管子外表面有煤灰、熔盐沉积物和氧化产物。
图3为试样4，5的宏观形貌。图4为试样5沿管子纵向剖开后侧壁截面的宏观形貌。由图3，4可知：在向火侧管子侧壁截面上有多条平行分布的横向裂纹，裂纹从外表面向内表面沿直线扩展，深浅不一，裂纹短而粗，大量分布在外壁，未贯穿管壁。试样1~5均未见明显的管壁腐蚀减薄，未出现管径胀粗等塑性变形现象，裂口及裂纹均在水冷壁向火侧外表面。
1.2 化学成分分析
采用定量直读光谱仪对试样1~5的化学成分进行分析，结果如表1所示。由表1可知：试样1~3的化学成分满足ASME SA-213M 《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子》的要求；试样4，5的化学成分满足GB/T 5310—2023 《高压锅炉用无缝钢管》的要求。
Table 1.试样1~5的化学成分分析结果
1.3 力学性能测试
对试样1~5进行力学性能测试，其中内螺纹管试样为去除螺纹后的4 mm（长度）纵向条状样，测试结果如表2所示。由表2可知：试样1~3的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及硬度均满足ASME SA-213M的标准要求，试样4，5的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及硬度均满足GB/T 5310—2023的标准要求。
Table 2.试样1~5的力学性能测试结果
1.4 金相检验
对试样1开裂部位进行金相检验，结果如图5所示。由图5可知：试样热影响区及母材区域均存在裂纹，裂纹由外表面向内表面扩展；在焊缝位置，既有由外表面向内表面延伸的裂纹，又有由内表面向外表面延伸的裂纹；主裂纹处外表面裂纹与内表面裂纹相通，外表面裂纹中充满氧化物，裂纹两侧的显微组织无明显老化。
对试样5裂纹部位进行金相检验，结果如图6所示。由图6可知：裂纹由表面向内表面呈楔形扩展，扩展路径平直，裂纹中充满氧化物，裂纹两侧的显微组织正常，无明显老化。
在试样1，2，3，5的母材处取样，对试样进行金相检验，结果如图7所示。由图7可知：试样1~3的组织为铁素体+珠光体，为正常组织；试样5的组织为铁素体+珠光体，为正常组织，试样中均未发现能使材料发生开裂的非金属夹杂物。
1.5 扫描电镜（SEM）及能谱分析
对试样1的断口表面进行扫描电镜观察，结果如图8所示。由图8可知：断口主裂纹为横向裂纹，断口平齐，呈脆性特征，外表面有少量二次裂纹，断口表面附着有氧化腐蚀产物，断裂面严重的高温氧化腐蚀导致疲劳辉纹等微观特征不明显。
采用能谱仪对试样1断口表面进行分析，分析位置如图8所示，分析结果如图9所示。由图9可知：断口表面附着物主要为以Fe、O元素为主的氧化物。
对试样5横向裂纹部位纵截面进行扫描电镜观察，发现裂纹由外表面向内表面呈楔形扩展，内部充满腐蚀产物[2]（见图10）。
对试样5横向裂纹处进行能谱分析，分析位置如图10所示，分析结果如图11所示。由图11可知：裂纹内部腐蚀产物中S元素含量较高[3]，离外表面较近的位置1处S元素质量分数为13.17%，离外表面较远的位置2处S元素质量分数为4.71%，裂纹附近腐蚀产物中的非金属元素主要为O元素。
2. 综合分析
由上述理化检验结果可知，试样1~5的化学成分和常温力学性能均满足相关标准要求；试样1~3的显微组织均为铁素体+珠光体，试样4，5的显微组织均为铁素体+珠光体，显微组织均正常，且未发现夹杂物或管子原始缺陷，说明管子泄漏与原材料无关。
试样1开裂焊口相邻区域有多条平行的横向裂纹，试样5向火侧截面上有多条平行的横向裂纹。这些裂纹沿着管子周向由外表面向内表面呈楔形扩展，裂纹数量多，宽而浅，裂纹尖端呈圆钝状，充满腐蚀产物。裂纹断口未发现明显塑性变形，呈脆性开裂特征，裂纹宏观形貌呈热疲劳裂纹特征。因此，可以判断水冷壁管前墙焊缝区域横向裂纹及左侧墙向火侧外表面横向裂纹为烟气侧腐蚀疲劳裂纹[4]。疲劳是材料在交变应力作用下产生的累积性损伤，而锅炉管的热疲劳主要表现为在温度反复变化下，由于交变热应力的作用，材料发生疲劳损伤[5]。出现裂纹的试样未见管壁减薄、管径胀粗等宏观塑性变形，显微组织正常，无明显老化，说明这些区域无传热恶化导致的超温现象。疲劳应力来自于锅炉启停和深度调峰过程中运行工况的变化，管子外表面温度波动产生了轴向交变热应力[6]。该水冷壁管开裂是一种伴有烟气侧腐蚀的热疲劳损伤[7]。
试样1焊口裂纹附着物主要是含Fe元素的氧化物，S元素含量较低。试样5横向裂纹内部附着物的主要成分为Fe、O和S元素，S元素含量较高，距表面较近处S元素的质量分数达到了13.17%。由此判断，左侧墙螺旋水冷壁管横向裂纹区域管子外表面存在高温硫腐蚀，该结果?与电厂对水冷壁整体宏观观察情况相吻合。高温腐蚀会使材料表面形成腐蚀坑，这些腐蚀坑在热疲劳过程中容易成为裂纹的起点，从而加速热疲劳过程[8]。此外，热疲劳引起的局部热应力变化也会加重高温腐蚀程度[9]。
3. 结论及建议
前墙螺旋水冷壁管焊口开裂及焊缝附近区域产生横向裂纹的原因为材料发生了热疲劳；左侧墙垂直水冷壁管的横向裂纹是在热疲劳和高温腐蚀的共同作用下形成的。
建议进行针对性的宏观观察和表面无损检测，及时更换有裂纹的管段。控制机组启停、调峰运行过程中的升降温速率，减小因外表面温度频繁波动造成的交变热应力影响。在壁温波动较大的区域增加温度测点，加强壁温监测，提高壁温控制的准确性。开展燃烧优化工作，杜绝火焰偏斜，合理配风，避免在左侧墙区域形成还原性气氛。在高温腐蚀区域进行防腐蚀合金涂层喷涂，以防止水冷壁发生高温硫腐蚀。
来源--材料与测试网