事故背景

某电厂300MW锅炉高温过热器在水压试验时发现有管子泄漏，该泄漏管的材料为12Cr1MoVG钢，规格为ϕ51mm×5.5mm。为找出该高温过热器管泄漏的原因，笔者对其进行了一系列检验和分析，以期此类事故不再发生。

理化检验

宏观观察

在泄漏管上取2根弯管样和2根带焊缝的短管样，分别编号为1~4号，如图1所示，可见4根管样均未见机械损伤等情况。

图1 管样宏观形貌

4根管样渗透检测结果表明，1号弯管两侧中性面处各存在一条纵向裂纹，其中一侧中性面裂纹长约60mm，另一侧中性面裂纹长约50mm；3号管样焊接接头处存在两条环向裂纹，分别长约40mm和20mm；2号和4号管样未发现缺陷显示痕迹，渗透检测显示出的管样缺陷形貌如图2所示。

图2 管样裂纹宏观形貌

化学成分分析

在1号管样上刮取金属粉末，并利用赛默飞ICAP6000型光谱仪对其进行化学成分分析，结果见表1。

表1 1号管样的化学成分(质量分数)%

可见1号管样的化学成分符合GB/T 5310－2017«高压锅炉用无缝钢管»的技术要求。

金相检验

在1号和3号管样上分别取样，采用OLMPUS GX71型光学显微镜对其进行金相检验，1号和3号管样显微组织形貌分别见图3和图4。

图3 1号管样微观形貌

图4 3号管样显微组织形貌

由图3可知，1号管样显微组织正常，为铁素体＋贝氏体，贝氏体未见明显球化；管样内壁有约0.3mm的脱碳层，内壁有垢层，且存在多处腐蚀坑，腐蚀坑的最深处约为0.16mm；内壁存在多条裂纹，裂纹均起源于内壁腐蚀坑处，从内壁向外壁呈沿晶扩展，裂纹尖端较尖且局部存在分叉。

由图4可知，3号管样显微组织正常，为铁素体＋贝氏体，贝氏体未见明显球化；管样内壁有约0.3mm深的脱碳层，符合GB/T 5310－2017中“内表面全脱碳层深度不大于0.3mm”的要求；管样内壁有垢层，且存在多处腐蚀坑，腐蚀坑的最深处约为0.15mm；焊缝的显微组织未见明显异常；管样焊接接头热影响区存在多条裂纹，从内壁向外壁呈沿晶扩展，裂纹尖端较尖且局部存在分叉。

硬度测试

对各金相试样进行维氏硬度测试，仪器采用FM700显微维氏硬度计，载荷为9.8N，加载保持时间15s，测试结果见表2。

表2 管样硬度测试结果

HV1

依据GB/T 5310－2017合标准对新管的要求，脱碳层处硬度略低于标准要求；弯管段的硬度均高于直管段，但也符合标准对新管的要求。3号管样的环样脱碳层部分硬度略低于标准对新管的要求，未脱碳部位母材硬度符合标准对新管的要求；3号管样裂纹尖端处的焊缝和热影响区硬度均符合DL/T 896－2016«火力发电厂焊接技术规程»的技术要求。

拉伸试验

在3号管样上取样进行拉伸试验，试验机为MTS880电液伺服试验机，试验结果见表3。

表3 管样拉伸试验结果

可见3号管样的室温拉伸性能符合GB/T 5310－2017对新管的要求。

微观分析

利用FeiQuanta400HV型扫描电镜(SEM)分别对1号和3号管样裂纹打开后的断口进行观察，断口形貌分别见图5和图6。

图5 1号管样裂纹断口SEM形貌

图6 3号管样裂纹断口SEM形貌

可见清洗前，1号和3号管样裂纹断口表面均覆盖有一层附着物，裂纹起源于内壁，无法看清特征形貌。断口清洗后，部分区域附着物脱落，可见断口呈明显的沿晶开裂形貌，并可见二次裂纹。

能谱分析

用FeiQuanta400HV型SEM和EDAX能谱(EDS)仪对1号和3号管样裂纹断口和远离断口处的金相试样进行能谱分析，分析结果见表4和表5。

表4 断口处EDS结果(质量分数)%

表5 远离断口处EDS结果(质量分数)%

由EDS分析结果可如，断口上及远离断口的内壁和裂纹处的主要成分为铁的氧化物，且均含有少量的钠和磷元素。

分析与讨论

由以上理化检验结果可知，管样均无机械损伤，1号管样的化学成分分析结果符合相关标准要求；1号管样和3号管样的母材组织正常，管样内壁有约0.3mm的脱碳层，符合GB/T 5310－2017中“内表面全脱碳层深度不大于0.3mm”的技术要求；1号管样和3号管样部分脱碳部位母材硬度略低于标准要求，这属于脱碳层部位的正常现象；1号管样弯管段的硬度均高于直管段的，这是由弯制过程中

弯管处的形变硬化所致；3号管样焊缝、热影响区和两侧母材的硬度均符合相关标准要求；3号管样的室温拉伸性能符合相关标准要求，以上均表明管样母材的性能良好。1号和3号管样内壁存在多处腐蚀坑，裂纹均起源于内壁腐蚀坑处，从内壁向外壁呈沿晶扩展，裂纹尖端较尖且局部存在分叉。1号和3号管样裂纹断面及远离断裂处的管子内壁垢层和裂纹内均含有少量的钠和磷元素，裂纹断口表面覆盖有一层腐蚀产物。

在役锅炉在运行中由于受水质或其他一些外来杂物等的影响，部分区域受热面管内壁会粘附一层水垢，影响锅炉传热并可能产生垢下腐蚀，严重时可导致锅炉安全事故，为保证锅炉安全运行，在役电站锅炉要不定期对受热面结垢情况进行监测，并根据监测结果采用合理的化学清洗工艺对受热面管进行化学清洗，化学清洗时如果操作工艺不当，残留后的酸、碱清洗剂会对锅炉管造成腐蚀损伤。经现场调研，该锅炉为带汽包的亚临界燃煤锅炉，2018年7月进行过碱煮(磷酸三钠和氢氧化钠)，2018年8月18日进行水压试验发现过热器泄漏，对碱煮记录进行查询时发现，由于操作工艺不当，碱煮时碱液多次超过汽包的限制水位，导致碱液进入了过热器内，能谱分析中发现的钠和磷等元素正好与此相映证。由于过热器管子内壁存在脱碳，脱碳导致管子的耐腐蚀能力减弱，加之弯管及管子焊接处存在较高的弯制和焊接残余应力，进入的碱液最先在弯管及管子焊接处的脱碳层形成碱应力腐蚀，应力腐蚀裂纹不断扩展直至管子开裂。

结论及建议

该高温过热器管子内壁存在脱碳层，脱碳层处管子耐腐蚀能力降低，在弯管及管子焊接处存在的残余应力和碱液的共同作用下，于脱碳层处形成碱应力腐蚀裂纹，应力腐蚀裂纹不断扩展直至管子开裂。

建议通过化学清洗清除掉管内残留的碱液，对焊接接头和弯管等易发生碱腐蚀的部位进行检查，若发现有腐蚀裂纹存在，应及时更换管子。