刘天佐
华电国际电力股份有限公司技术服务分公司 山东 济南 250014
摘要：本文针对某电厂锅炉省煤器管爆管的问题，从理化性能检验、断口分析、现场调查等多方面进行了分析探讨，得出爆管的原因为烟气吹损导致防磨瓦包覆与未包覆的过渡区域形成凹坑，最终引起了疲劳断裂。针对分析结果，给出了相应的建议措施。
关键词：省煤器管、SA-210C、吹损、爆管、疲劳断裂
1. 概述
某电厂3号机组锅炉由日本三菱重工株式会社于1997年12月制造并交付，该锅炉采用单炉膛π型露天布置炉型，强制循环方式，四角切圆燃烧器布置，室燃燃烧方式，设计燃料为BFG、煤粉、油，固态出渣，化学除盐补给水处理。主蒸汽流量最大连续蒸发量为1210t/h，过热器出口工作压力17.24MPa，工作温度541℃。再热蒸汽流量为869t/h，再热器入口工作压力4.8MPa，工作温度323℃，再热器出口工作压力4.4Mpa，工作温度541℃。3号机组锅炉1998年10月由上海电力安装第一工程公司安装，1999年2月28日投运，运行时间已超过20年。
2020年12月18日14:31，3号机组在生产过程中，锅炉水位出现异常，且无法维持，进一步确定附加省煤器炉管有泄漏。经降温、煤气置换处理，19日14:00安装盲板后，14:00进入附加省煤器炉内，检查发现附加省煤器内部一根管子断裂，同时，附近相邻区域共有15根炉管被吹损，断裂的现场照片如图1-1所示。电厂经讨论决定，对1-7排共16根（32只接口）受损炉管平上下集箱进行连根切除。然后，打磨坡口，并加工堵头。按照电站锅炉焊接要求，将上下集箱管座切割处进行闷堵焊接处理。焊接完工后，对炉内相关区域的炉管进行普查，然后，按规程给锅炉进水，再度进行捉漏检查。
3号机组于2018年进行过超低排放改造，其中附加省煤器属于新建项目，至爆管发生，运行二年半时间。3号机组超低排放改造时，该省煤器集箱与根部炉管是由车间制造成形的，因此，其中的焊接也是在车间制造完成的。炉管材料为ASME SA-210C，规格为Φ44.5×5.0㎜。
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图 1 爆管现场照片
2. 原因分析
1）管段化学成分、室温及高温力学性能均满足相关标准要求，也未发现明显的原始制造缺陷。显微组织为铁素体+珠光体，无明显的组织球化特征，说明爆口管段不存在长时过热。爆口减薄处有明显的塑性变形，这与管段外壁受到吹损（磨损）导致的壁厚减薄有关，而现场可以看到未送检的另一半断口并无明显的胀粗或塑性变形，因此也可排除短时过热爆管的可能性。
2）断口表面有从外壁向内壁扩展形成的放射线，并可见类似于疲劳断裂形成的弧线特征，且该断面靠近外壁处还存在一条环向凹坑，断裂恰好从凹坑开始，向内壁侧扩展。结合断口扫描电镜观察可见由凹坑向内壁扩展形成的启裂台阶，初步判定本次爆管初始裂纹启裂于外壁侧凹坑处，扩展方式可能为疲劳扩展。
3）金相检验发现，存在宏观凹坑的断口启裂位置为角焊缝焊接时形成的热影响区，靠近焊接熔合区，因此不排除可能存在咬边等焊接缺陷，并在锅炉运行中在缺陷位置形成裂纹并扩展断裂的问题。
4）爆管管段整体有防磨瓦包覆，仅在靠近角焊缝的位置未能完全包覆，其示意图如图2-1(a)所示。现场检查发现爆口管段附近多个管段在靠近焊缝熔合区，即防磨瓦包覆与未包覆的过渡区存在吹损(见图2-1(b))，而本次爆管的启裂区域也存在一条明显的环状凹坑，与上述现场发现的吹损特征相似。结合电镜微观观察发现，该凹坑底部光滑，也与吹损特征相符。由此可见，本次爆口启裂区发现的环状凹坑可能为防磨瓦包覆与未包覆区域形成的吹损凹坑。但该凹坑位置恰好接近焊缝熔合区，而另一半焊口未能切割取样，因此是否存在焊接缺陷尚不能排除。
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图 2 爆口位置防磨瓦包覆情况示意图及现场照片
3. 结论及措施
1）爆管管段原始材质符合ASME SA-210C等相关标准要求，表明本次爆管与管子原始材质无关。
2）管子爆口启裂于角焊缝靠近爆口管的热影响区凹坑处，由凹坑底部向管子内壁扩展，最终导致管子疲劳断裂爆管。
3）爆口启裂处的凹坑可能为防磨瓦包覆和未包覆区域烟气吹损形成的凹坑，但该位置恰好接近熔合区，是否存在焊接缺陷尚不能排除。
针对上述结论，可采取以下措施：
对与本次爆口位置结构相同的角焊缝及附近区域进行排查，包括宏观检查和无损检测等，查看角焊缝是否存在焊接缺陷、无防磨瓦覆盖的区域的吹损情况等，对存在焊接缺陷或吹损凹坑的管段及早采取修复措施，避免在焊接缺陷或吹损凹坑处形成应力集中，导致裂纹萌生而过早失效。
参考文献
[1]孙德创,宋行强. 锅炉省煤器磨损机理及防磨措施[J].山东大学学报（工学版）,2004,34(4):101-104.
[2] 张栋,钟培道,陶春虎,等. 失效分析[M].北京：国防工业出版社,2013:114.