油輪輔鍋爐過熱器爆管的原因

戴樂陽，李經(jīng)宏

（1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，廈門361021；2.艾歐史密斯

（中國）熱水器有限公司，南京210038）

0 引 言

某油輪輔鍋爐在一次運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)鍋爐給水流量異常增大，過熱蒸汽壓力明顯下降，排煙發(fā)白。停爐檢查后發(fā)現(xiàn)一根對流過熱器管爆裂，該爆管位于對流過熱器的出口段，左數(shù)第1片下降屏前數(shù)第25號管（最外側(cè)管）向火面，靠近耐火材料。該對流過熱器管材料為12Cr1MoV鋼，尺寸為φ47mm×5mm，工作壓力為13.2MPa，使用溫度為535～540℃。該鍋爐自投入使用已累計(jì)運(yùn)行約5×104h。為查找該過熱器爆管的原因，作者對其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

圖1 爆管的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of busted tube

由圖1可見，爆口沿過熱器管縱向開裂，裂口呈嘴形，縱向最大開口長度為270mm；爆管脹粗不太顯著，爆口中心處管徑由47mm脹粗至57mm；爆口邊緣粗糙，管壁幾乎沒有減薄，呈脆性斷口形貌。在爆口處對爆管內(nèi)外壁進(jìn)行觀察，可見除了主爆裂口外，爆口外壁還有其他縱向裂紋和明顯的氧化；另外爆管內(nèi)壁還存在一層結(jié)垢，近爆口處的結(jié)垢層上有呈平行分布的縱向裂紋和被沖刷剝落的痕跡，如圖2所示。

1.2 化學(xué)成分

采用DV6E型光電直讀光譜儀，按GB／T 4336－2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法）》對爆裂過熱器管進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表1所示。另外，表中還列出了GB／T 5310－2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中規(guī)定的12Cr1MoV鋼的化學(xué)成分范圍?？梢姡撨^熱器管的化學(xué)成分正常。

表1 爆裂過熱器管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of busted superheater tube（mass）%

1.3 力學(xué)性能

在失效過熱器管爆口的向火側(cè)、背火側(cè)及遠(yuǎn)離爆口向火側(cè)三個(gè)部位沿縱向截取試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示?？梢?，該過熱器管爆口向火側(cè)、背火側(cè)以及遠(yuǎn)離爆口向火側(cè)的抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB／T 5310－2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)定的12Cr1MoV鋼強(qiáng)度的下限（470MPa），這表明該過熱器管經(jīng)長期使用后抗拉強(qiáng)度明顯下降，但伸長率基本符合要求。

表2 爆裂過熱器管的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of busted superheater tube %

1.4 顯微組織

由圖3（a）可見，距爆口中心500mm處的鋼管基體組織為珠光體鐵素體和碳化物，碳化物顆粒在鐵素體晶界上分布，珠光體已經(jīng)產(chǎn)生明顯球化；而130mm處的鋼管基體珠光體組織除了嚴(yán)重球化外，還可見蠕變孔洞沿晶分布，形成了沿晶蠕變微裂紋，如圖3（b）所示；這種組織老化的情況越靠近爆口中心越為嚴(yán)重，如距爆口中心30mm處，珠光體片層形態(tài)已基本消失，沿晶蠕變微裂紋互相連接，裂紋中充滿了腐蝕產(chǎn)物，如圖3（c）所示。按照DL／T 773－2001《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》，該過熱器管的珠光體球化率可評定為4～5級。

1.5 外壁裂紋

對爆管外壁裂紋進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)除了主爆口外，管外壁還有許多肉眼可見或隱約可見的微小裂紋，裂紋呈現(xiàn)向內(nèi)壁發(fā)展與深入的趨勢。為此，在垂直于爆口處取橫截面，對外壁這些微小裂紋進(jìn)行觀察，如圖4所示。可見，過熱管外壁的這些縱向裂紋深入管壁內(nèi)部，多數(shù)裂紋的深度已達(dá)1.75mm，部分裂紋深度甚至超過2.5mm，即超過了壁厚的一半。這種裂紋不是普通受力導(dǎo)致的迅速穿透的形式，而是鋼材持久強(qiáng)度降低形成的蠕變開裂形式。

1.6 內(nèi)壁結(jié)垢與裂紋

在距爆口中心30mm處，沿爆管橫截面對管內(nèi)壁層取樣進(jìn)行組織觀察，可見管內(nèi)壁結(jié)垢層非常明顯，其厚度為0.12～0.25mm；結(jié)垢層下的鋼管內(nèi)壁組織存在脫碳現(xiàn)象，如圖5所示。仔細(xì)觀察還可發(fā)現(xiàn)，過熱器管內(nèi)壁的結(jié)垢層上存在較多的爆裂裂紋，這些裂紋的尖端擴(kuò)展至鋼管內(nèi)壁，在內(nèi)壁相應(yīng)位置上也產(chǎn)生了微裂紋，如圖6所示。從圖6還可以發(fā)現(xiàn)部分結(jié)垢層開裂后已經(jīng)脫落。

2 分析與討論

鍋爐過熱器爆管屬于高溫失效范疇，國內(nèi)外材料研究人員普遍認(rèn)為蠕變損壞是高溫失效的主要原因之一。通常，在蒸汽系統(tǒng)中，由于鍋爐過熱器管屬于薄壁管，其發(fā)生爆裂的首要原因是珠光體球化，當(dāng)球化發(fā)展到一定程度才開始出現(xiàn)蠕變孔洞，然后由孔洞互相連接成微裂紋直至破裂；而主蒸汽管屬于厚壁高溫承壓部件，其發(fā)生破裂主要是由蠕變損傷積累所致［1］。12Cr1MoV鋼是鍋爐廣泛采用的鋼種，主要用于蒸汽參數(shù)不超過540℃的場合；其中的釩是強(qiáng)碳化物元素，碳化釩細(xì)小而穩(wěn)定，對鋼的彌散硬化效果好；但12Cr1MoV鋼在高溫下長期運(yùn)行的過程中，會(huì)發(fā)生滲碳體球化及固溶體中合金元素貧化的現(xiàn)象，從而使其熱強(qiáng)性降低［2］。

綜上分析可知，該失效過熱器管的化學(xué)成分符合要求，但其顯微組織和抗拉強(qiáng)度有所改變。正常情況下，12Cr1MoV鋼的原始態(tài)組織為珠光體，但該過熱器管的組織卻產(chǎn)生了明顯的珠光體球化，并存在較多的沿晶蠕變裂紋（如圖3所示），這表明鍋爐有長期超壓或過熱運(yùn)行的可能。經(jīng)查詢輪機(jī)員獲悉，該鍋爐有時(shí)確實(shí)存在超壓運(yùn)行的情況，主要是因?yàn)橛行└劭隈g油任務(wù)比較緊張，經(jīng)常催促船員快速作業(yè)。另外，爆管外壁有明顯的氧化，內(nèi)壁有較嚴(yán)重的結(jié)垢，這些均會(huì)加劇管壁溫度超高，使得失效管長期超溫，最終發(fā)生組織老化甚至局部脫碳，使其持久強(qiáng)度下降。另外，由于油輪鍋爐水的含油幾率較大，因此其過熱器管內(nèi)壁垢層容易在局部堆聚，并且剝落的垢層也容易互相粘結(jié)積聚，導(dǎo)致鋼管局部流通面積變小甚至堵塞，這可能是該失效管爆口位局部過熱更為直接的原因。

另一方面，由于爆管內(nèi)壁脆性垢層的熱膨脹系數(shù)不同于管壁基體金屬的，因而在交變熱應(yīng)力作用下易于開裂，繼而被蒸汽沖刷剝離。當(dāng)垢層裂開后，管內(nèi)熱水通過垢層裂縫突然接觸到高溫管壁驟然汽化，產(chǎn)生了局部膨脹壓力。這種交變的膨脹壓力導(dǎo)致管壁基體材料發(fā)生破壞，在基體強(qiáng)度已然下降的爆口位外壁誘發(fā)縱向裂紋，并逐漸向內(nèi)壁擴(kuò)展。而結(jié)垢層剝離處的鋼管內(nèi)壁容易受到蒸汽腐蝕誘發(fā)應(yīng)力集中，繼而在垢層爆裂處的內(nèi)管壁也逐漸萌生出許多縱向微裂紋。在鋼管外壁和內(nèi)壁縱向裂紋的長期共同作用下，管壁有效厚度減小，當(dāng)減小到一定程度后，該過熱器管就會(huì)發(fā)生長時(shí)超溫爆管事故。

3 結(jié)論與建議

該油輪輔鍋爐過熱器管由于長期超溫運(yùn)行，致使鋼管基體組織珠光體球化，并產(chǎn)生蠕變損傷，鋼管持久強(qiáng)度下降，同時(shí)管內(nèi)的結(jié)垢加劇了鋼管的過熱，最終導(dǎo)致爆管。

在油輪輔鍋爐的運(yùn)行管理中，應(yīng)該嚴(yán)格要求輪機(jī)員按照升壓曲線進(jìn)行啟動(dòng)升壓，嚴(yán)禁趕火升壓等不正常工況的出現(xiàn)；其次，要堅(jiān)持定期化驗(yàn)水質(zhì)、投放爐水處理劑以減少結(jié)垢，還要特別加強(qiáng)凝水觀察柜的觀察，防止貨油滲漏經(jīng)回水管流到熱水井，污染鍋爐水并加重結(jié)垢，進(jìn)而降低水管的傳熱效率，造成長期超溫。

［1］周順深.爐管珠光體球化與破裂壽命的關(guān)系［J］.華東電力，1995（5）：7－11.

［2］楊瑞成，王暉，鄭麗平，等.12Cr1MoV鋼高溫時(shí)效過程中組織結(jié)構(gòu)的演變［J］.金屬熱處理，2002，27（9）：18－22.