事故背景

某電廠300MW鍋爐高溫過熱器在水壓試驗時發現有管子泄漏，該泄漏管的材料為12Cr1MoVG鋼，規格為?51mm×5.5mm。為找出該高溫過熱器管泄漏的原因，筆者對其進行了一系列檢驗和分析，以期此類事故不再發生。

理化檢驗

宏觀觀察

在泄漏管上取2根彎管樣和2根帶焊縫的短管樣，分別編號為1~4號，如圖1所示，可見4根管樣均未見機械損傷等情況。

圖1 管樣宏觀形貌

4根管樣滲透檢測結果表明，1號彎管兩側中性面處各存在一條縱向裂紋，其中一側中性面裂紋長約60mm，另一側中性面裂紋長約50mm；3號管樣焊接接頭處存在兩條環向裂紋，分別長約40mm和20mm；2號和4號管樣未發現缺陷顯示痕跡，滲透檢測顯示出的管樣缺陷形貌如圖2所示。

圖2 管樣裂紋宏觀形貌

化學成分分析

在1號管樣上刮取金屬粉末，并利用賽默飛ICAP6000型光譜儀對其進行化學成分分析，結果見表1。

表1 1號管樣的化學成分(質量分數)%

可見1號管樣的化學成分符合GB/T 5310－2017«高壓鍋爐用無縫鋼管»的技術要求。

金相檢驗

在1號和3號管樣上分別取樣，采用OLMPUS GX71型光學顯微鏡對其進行金相檢驗，1號和3號管樣顯微組織形貌分別見圖3和圖4。

圖3 1號管樣微觀形貌

圖4 3號管樣顯微組織形貌

由圖3可知，1號管樣顯微組織正常，為鐵素體＋貝氏體，貝氏體未見明顯球化；管樣內壁有約0.3mm的脫碳層，內壁有垢層，且存在多處腐蝕坑，腐蝕坑的最深處約為0.16mm；內壁存在多條裂紋，裂紋均起源于內壁腐蝕坑處，從內壁向外壁呈沿晶擴展，裂紋尖端較尖且局部存在分叉。

由圖4可知，3號管樣顯微組織正常，為鐵素體＋貝氏體，貝氏體未見明顯球化；管樣內壁有約0.3mm深的脫碳層，符合GB/T 5310－2017中“內表面全脫碳層深度不大于0.3mm”的要求；管樣內壁有垢層，且存在多處腐蝕坑，腐蝕坑的最深處約為0.15mm；焊縫的顯微組織未見明顯異常；管樣焊接接頭熱影響區存在多條裂紋，從內壁向外壁呈沿晶擴展，裂紋尖端較尖且局部存在分叉。

硬度測試

對各金相試樣進行維氏硬度測試，儀器采用FM700顯微維氏硬度計，載荷為9.8N，加載保持時間15s，測試結果見表2。

表2 管樣硬度測試結果

HV1

依據GB/T 5310－2017合標準對新管的要求，脫碳層處硬度略低于標準要求；彎管段的硬度均高于直管段，但也符合標準對新管的要求。3號管樣的環樣脫碳層部分硬度略低于標準對新管的要求，未脫碳部位母材硬度符合標準對新管的要求；3號管樣裂紋尖端處的焊縫和熱影響區硬度均符合DL/T 896－2016«火力發電廠焊接技術規程»的技術要求。

拉伸試驗

在3號管樣上取樣進行拉伸試驗，試驗機為MTS880電液伺服試驗機，試驗結果見表3。

表3 管樣拉伸試驗結果

可見3號管樣的室溫拉伸性能符合GB/T 5310－2017對新管的要求。

微觀分析

利用FeiQuanta400HV型掃描電鏡(SEM)分別對1號和3號管樣裂紋打開后的斷口進行觀察，斷口形貌分別見圖5和圖6。

圖5 1號管樣裂紋斷口SEM形貌

圖6 3號管樣裂紋斷口SEM形貌

可見清洗前，1號和3號管樣裂紋斷口表面均覆蓋有一層附著物，裂紋起源于內壁，無法看清特征形貌。斷口清洗后，部分區域附著物脫落，可見斷口呈明顯的沿晶開裂形貌，并可見二次裂紋。

能譜分析

用FeiQuanta400HV型SEM和EDAX能譜(EDS)儀對1號和3號管樣裂紋斷口和遠離斷口處的金相試樣進行能譜分析，分析結果見表4和表5。

表4 斷口處EDS結果(質量分數)%

表5 遠離斷口處EDS結果(質量分數)%

由EDS分析結果可如，斷口上及遠離斷口的內壁和裂紋處的主要成分為鐵的氧化物，且均含有少量的鈉和磷元素。

分析與討論

由以上理化檢驗結果可知，管樣均無機械損傷，1號管樣的化學成分分析結果符合相關標準要求；1號管樣和3號管樣的母材組織正常，管樣內壁有約0.3mm的脫碳層，符合GB/T 5310－2017中“內表面全脫碳層深度不大于0.3mm”的技術要求；1號管樣和3號管樣部分脫碳部位母材硬度略低于標準要求，這屬于脫碳層部位的正常現象；1號管樣彎管段的硬度均高于直管段的，這是由彎制過程中

彎管處的形變硬化所致；3號管樣焊縫、熱影響區和兩側母材的硬度均符合相關標準要求；3號管樣的室溫拉伸性能符合相關標準要求，以上均表明管樣母材的性能良好。1號和3號管樣內壁存在多處腐蝕坑，裂紋均起源于內壁腐蝕坑處，從內壁向外壁呈沿晶擴展，裂紋尖端較尖且局部存在分叉。1號和3號管樣裂紋斷面及遠離斷裂處的管子內壁垢層和裂紋內均含有少量的鈉和磷元素，裂紋斷口表面覆蓋有一層腐蝕產物。

在役鍋爐在運行中由于受水質或其他一些外來雜物等的影響，部分區域受熱面管內壁會粘附一層水垢，影響鍋爐傳熱并可能產生垢下腐蝕，嚴重時可導致鍋爐安全事故，為保證鍋爐安全運行，在役電站鍋爐要不定期對受熱面結垢情況進行監測，并根據監測結果采用合理的化學清洗工藝對受熱面管進行化學清洗，化學清洗時如果操作工藝不當，殘留后的酸、堿清洗劑會對鍋爐管造成腐蝕損傷。經現場調研，該鍋爐為帶汽包的亞臨界燃煤鍋爐，2018年7月進行過堿煮(磷酸三鈉和氫氧化鈉)，2018年8月18日進行水壓試驗發現過熱器泄漏，對堿煮記錄進行查詢時發現，由于操作工藝不當，堿煮時堿液多次超過汽包的限制水位，導致堿液進入了過熱器內，能譜分析中發現的鈉和磷等元素正好與此相映證。由于過熱器管子內壁存在脫碳，脫碳導致管子的耐腐蝕能力減弱，加之彎管及管子焊接處存在較高的彎制和焊接殘余應力，進入的堿液最先在彎管及管子焊接處的脫碳層形成堿應力腐蝕，應力腐蝕裂紋不斷擴展直至管子開裂。

結論及建議

該高溫過熱器管子內壁存在脫碳層，脫碳層處管子耐腐蝕能力降低，在彎管及管子焊接處存在的殘余應力和堿液的共同作用下，于脫碳層處形成堿應力腐蝕裂紋，應力腐蝕裂紋不斷擴展直至管子開裂。

建議通過化學清洗清除掉管內殘留的堿液，對焊接接頭和彎管等易發生堿腐蝕的部位進行檢查，若發現有腐蝕裂紋存在，應及時更換管子。