摘 要：某钢铁公司电站锅炉仅服役15000h就发生水冷壁管破裂事故。采用化学成分分析、金相检验及水垢结构X射线衍射分析等方法对失效水冷壁管进行分析，并结合锅炉运行状况进行调查。结果表明：水冷壁管破裂是管壁内侧水垢阻碍热传导所致。水垢则是锅炉运行过程中注入未经软化水造成的。　　关键词：电站锅炉;水冷壁管;破裂;水垢;失效分析

　　某钢铁公司1号电站锅炉，型号为UG-130/9.8-M(Q)(锅炉为130 t，压力9.8MPa)，投产于2004年，在2006年发生水冷壁管破裂事故，累计服役时间仅15000h。破裂炉管共七根，分布于炉膛前、后和右侧三面，标高12.8m左右。炉膛烟道出口温度884.3℃。锅炉的水冷壁是由鳍片联接的并联管组成。炉管材料为20G钢，炉管直径60mm，管壁厚度5mm。笔者调查了解到在事故发生前曾向该锅炉补加了2t左右的民用自来水。在上述情况基础上笔者对该锅炉炉管进行了理化检验和分析。

　　1 理化检验

　　1.1 宏观检验

　　对破裂炉管宏观形貌进行观察，发现破裂形态为穿透裂纹，且裂纹均处于鼓包部位。大多数裂纹长度为13～18mm，宽度1.5mm左右。破裂最严重的7号炉管，裂纹长度为32mm，宽度为3mm，见图1.

　　另外失效水冷壁炉管外表面有棕褐色锈层，表面较光滑，基本无灰渣粘结。而内表面向火侧有较厚的棕色和灰白色水垢(图2)，背火侧水垢较薄，呈灰白色。并且鼓包所在部位的水垢最厚。虽然这里的许多水垢已明显脱落，但残存的水垢厚度仍有0.5～1mm。

　　


　　


　　1.2 化学成分分析

　　利用直接读光谱法分析了7号炉管的化学成分。结果表明，其成分符合高压锅炉用无缝钢管20G钢的标准要求，见表1。
　　1.3 金相检验

　　在7号炉管上制取金相试样，在光学显微镜下观察其非金属夹杂物。夹杂物分析表明，硫化物级别为2级，其他类型夹杂均小于1.0级。

　　沿7号炉管爆口中心横切取样进行显微组织观察。可见爆口中心向火侧的显微组织是贝氏体(图3)，背火侧的为铁素体和珠光体(图4)。

　　


　　


　　沿炉管纵向取样观察向火侧不同部位的显微组织。可见距爆口中心15mm处的显微组织为铁素体和贝氏体(图5)，30mm处为铁素体+片状珠光体+球化珠光体(图6)，40mm处为铁素体和片状珠光体(图7)。这表明爆口附近向火侧的相变区半径大致为20mm。这样的尺寸范围基本上与鼓包区域相当。而各部位背火侧的显微组织均为铁素体和片状珠光体(图8)。即局部热点的相变区仅限于向火侧的鼓包范围。       1.4 水垢分析

　　对7号炉管内的水垢组成进行了X射线衍射分析。结果表明：水垢主要由CaSo4,Ca(OH)2，MgHPO4及(Mg，Fe)2SiO4等组成(图9)。显然，水垢来自未经软化的自来水。

　　


　　


　　


　　


　　2 分析与讨论

　　炉管的化学成分符合GB 5310-1995标准中对20G钢的要求，钢中非金属夹杂物含量不高，爆口以外的显微组织也正常。而且服役期间，炉管腐蚀并不明显。可见，水冷壁管冶金质量和锅炉运行情况符合设计要求。

　　炉管破裂部位存在的相变组织表明失效水冷壁炉管在使用过程中温度已超过钢的AC3温度(20G钢的AC3温度为855℃)。这是因为向火侧水冷壁炉管内壁存在水垢，导致炉管传热受阻形成局部过热，使该部位温度迅速升至AC3相变温度以上。温度的升高必然引起该区域炉管的耐热强度下降，并在工作压力下发生塑性变形，形成鼓包。当鼓包膨胀减薄到一定程度，引起鼓包爆裂。在爆裂的瞬间，水冷壁炉管内部蒸汽将快速穿过爆口，使爆口附近管壁迅速过冷到中温转变温度区发生贝氏体转变。而组织的相变进一步恶化了炉管的力学性能，促进了炉管破裂。

　　3 结论

　　由于水冷壁炉管管壁内侧形成的水垢阻碍热传导而形成局部过热，并引发组织相变，大大降低了炉管的屈服强度，导致炉管在工作应力下发生破裂。