电站锅炉的持续运行是保障发电厂不间断供电的基本条件，但由于锅炉中水冷壁、过热器、省煤器等部件暴露在极其恶劣的条件下，经常会出现部件失效情况^［1–2］。这不仅会造成安全隐患，还会因设备关闭造成经济损失。捕渣屏作为水冷壁的一部分，主要作用是吸收炉膛内辐射热以及高温烟气中的热量，捕集灰渣使之掉至落渣口，以减轻炉膛内及后部受热面结渣。捕渣屏工作条件恶劣，如果发生失效将直接影响到锅炉的安全运行^［3–5］。

本文通过宏观特征、化学成分、力学性能分析，以及金相检验、电镜观察等技术手段并结合实际运行情况，对某电厂捕渣屏水冷壁管爆管和断管失效原因进行分析。根据分析结果，进一步提出捕渣屏水冷壁管安全运行的相关建议，对防止今后发生同类管道失效及锅炉运行过程中风险的早期辨识具有重要意义。

1 管段失效概况

某300 MW双燃烧室（W火焰）的液态排渣塔式直流炉炉膛底部捕渣屏水冷壁发生泄漏。经进入炉内检查确认，发现捕渣屏右侧第一排一根管断裂，左侧第三排一根管爆管，两管段属于一屏中的同一根管，具体位置如图1所示。捕渣屏水冷壁管外部由浇筑料覆盖（主要成分是碳化硅），管子规格为Φ48.3 × 6.3 mm，材质为15Mo3，管外为高温烟气，温度约为1 200 ℃。爆口管段和断口管段的宏观形貌如图2所示。

2 失败原因分析 2.1 宏观特征分析

分别观察爆口断面、断口断面及其附近区域发现，两断面及其附近区域内、外壁均有锈蚀痕迹，爆口和断口周边未见肉眼可见的裂纹。其中，爆口处管壁显著减薄，最薄处呈刀刃状，爆口及附近区域胀粗明显，爆口呈喇叭状。该爆口尺寸如图3(a)所示，环向最大开口约47 mm，轴向开口约119 mm。远离爆口处（300 mm）外侧管子壁厚为4.88 mm，沿爆口断面选取5点进行壁厚测量，数值分别为3.66、3.84、3.64、3.06、2.86 mm，可见爆口部位减薄明显。从上述特征看，初步认为该爆口符合短时过热爆管特征；断口处未见胀粗，断口部位有塑性变形，存在明显的“剪切唇”。断口尺寸如图3（b）所示，经测量其内径分别为37.58、35.88 mm。沿断口断面选取5点进行壁厚测量，数值分别为5.64、5.24、4.92、5.60、4.86 mm，可见断口部位存在减薄。

2.2 化学成分分析

为探究失效管材质是否满足要求，采用定量光谱仪对爆口管和断口管化学成分进行测试分析，测试取样位置位于管段爆口和断口处，分析结果如表1所示。由此可知，两个试样的化学成分均符合DIN17175−79标准中对15Mo3钢的化学成分要求。

2.3 力学性能分析

对爆口管段和相邻正常管段取样进行力学性能试验，结果如表2所示。试验结果表明，爆口管断后伸长率低于DIN17175−79标准规定值，抗拉强度相比正常管段上升明显，可见爆口管段强度提高，塑性下降。

2.4 金相组织及硬度分析

在爆口管段远离爆口两端、爆口边缘和爆口对面位置分别取样进行金相检验，分析其组织形貌。爆口两端外侧显微组织分别如图4(a)、4(b)所示，可见，其组织发生了变化，存在大量铁素体。爆口对面显微组织如图4(c)所示，其组织相对正常。爆口尖端和边缘显微组织分别如图4(e)、4(f)所示，其组织为铁素体 + 回火索氏体，且爆口尖端铁素体被拉长，可见爆口壁温在A_c1 ～ A_c3（A_c1和A_c3分别为钢加热时珠光体开始向奥氏体转变时的温度和加热时完全转变为奥氏体的温度）之间，爆口处金相组织符合短时过热爆管的微观组织特征^［6］。

为了进一步探究爆口管段力学性能的变化，对爆口处、爆口附近和爆口对面进行维氏硬度测试，检测结果如表3所示，其中Ⅰ、Ⅱ处分别对应于爆口管沿介质流向1点钟方向和3点钟方向。结果表明，硬度的检测结果与金相结果一致，爆口处硬度明显增高。

在断口管段的断口尖端以及尖端附近取样进行金相检验，结果如图5所示。断口部位金相组织均为铁素体 + 珠光体，未见明显老化和裂纹，断口尖端组织出现拉长变形，断口为穿晶断口，符合韧性断裂特征。结合前文的分析，可以初步排除由材料本身原因及运行期间材料显微组织发生变化引起断管。

2.5 SEM形貌与能谱分析

在爆口部位如图6中a和b处取样，分别在扫描电镜下观察形貌。a处样品的扫描电镜结果如图7所示，可见管壁爆口被异物覆盖，已不能辨别断裂模式。对a处爆口表面进行能谱检测，表面能谱如图8所示，爆口表面异物主要元素为Fe和O，以及Si、Al、Ca等。b处样品的扫描电镜结果如图9所示。该位置也有异物覆盖，但能观察到该位置存在明显的具有方向性的韧窝，符合韧性断裂特征。

截取断口管整个断口作为样品，在扫描电镜下观察整圈断口表面形貌。同样发现大部分管壁断口被异物覆盖，已不能辨别断裂模式，如图10(a)所示。观察整圈断口时发现，断口整体氧化严重，且有异物覆盖，但能观察到多处存在疑似韧性断裂特征，分别如图10(b) ～ (d)所示。对断口表面异物进行能谱检测，检测结果如图11所示。断口表面异物主要元素为Fe和O。

3 讨论分析

爆管属于短时过热爆管，且超温幅度在A_c1 ～ A_c3之间。该管由于工作条件恶化，管壁温度在短期内上升，温度达到或超过钢材的下临界点A_c1，材料强度急剧下降，已不足以承受管内介质压力，管外侧由于不受相邻管段鳍片的约束首先发生塑性变形，管径胀粗，管壁减薄，直至爆管。管段爆破时，炽热的管壁被管内高速喷出的介质迅速冷却，相当于进行一次不完全淬火，随后随炉冷却，爆口处显微组织中出现回火索氏体；而断口管的断口属于韧性断裂，该管在断裂前未发生材质劣化，该管受到外力后，发生塑性变形，断面减薄、断裂。

经了解现场情况，分析其原因为该锅炉曾发生炉顶落焦砸在捕渣屏上的情况，断口管在现场布置在捕渣屏上层第一排且变形严重，推断该断口管是因为受到炉顶落焦的冲击而被拉断。爆口管段在W型炉膛底部捕渣屏的另一侧，与断口管段在锅炉中是同属一根管。短时过热爆管通常是由于管内工质流量减少，不能很好地带走热量，导致管壁超温所致。由于W型炉膛的另一侧管段发生断裂后，管内工质泄漏，进入该管段的介质流量减少，从而导致超温爆管。除此之外，耐热材料的脱落也会导致热负荷的集中，加速管段的超温爆管。

4 结论

本文通过宏观特征、化学成分、力学性能分析，以及金相检验、硬度检测和电镜观察等分析试验并结合现场实际情况，对捕渣屏水冷壁管爆管和断管原因进行分析。发现断口管和爆口管在锅炉中同属一根管，推断该断口管是因为受到炉顶落焦的冲击，导致该管被拉断。爆管属于短时过热爆管，通常是由于管内工质流量减少，不能及时带走热量，导致管壁超温。爆口处显微组织中出现回火索氏体，而断口管的断口属于韧性断裂。

针对失效分析原因，提出以下改进建议：①建议电厂加强运行管理，运行期间及时调整炉膛内燃烧状况，控制结焦。②在检修期间加强对捕渣屏水冷壁外敷设的耐热材料的检查，及时修复脱落的耐热材料。③专项排查捕渣屏水冷壁管的磨损、变形、鼓包等异常情况，并对其进行相应的记录和跟踪检查，必要时进行更换。④设计时采用防砸耐磨的捕渣屏水冷壁保护结构，提高捕渣屏防砸能力，降低因结焦脱落而造成水冷壁失效的事故发生率。