煉廠燃油鍋爐屏式過(guò)熱器管失效分析

莫燁強(qiáng)，羅建成，孫 亮，侯艷宏

(1.沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110180；2.中海煉化惠州煉油分公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

12Cr1MoV 鋼是一種重要的珠光體型耐熱鋼，在汽輪機(jī)、鍋爐等動(dòng)力工程中廣泛應(yīng)用。該鋼具有較高的持久強(qiáng)度和持久塑性，良好的抗氧化性能，而且無(wú)熱脆性傾向，是目前用于高參數(shù)組鍋爐主蒸汽管道的常用鋼種之一［1］。

在過(guò)去的幾十年，各國(guó)科研人員對(duì)鍋爐12Cr1MoV 鋼的蠕變壽命評(píng)定研究已取得了飛速的發(fā)展，積累了大量材料的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)展了持久強(qiáng)度試驗(yàn)法、損傷力學(xué)法以及應(yīng)力法等多種壽命評(píng)定方法，建立了蠕變延伸率等失效準(zhǔn)則［2-3］。但是這些方法都是建立在12Cr1MoV 鋼的運(yùn)行歷史和應(yīng)力分析基礎(chǔ)上的宏觀方法，較少考慮材料的失效微觀機(jī)制以及實(shí)際的應(yīng)用工藝。因此，要清楚知道材料的失效原因，提出有效的預(yù)防建議，僅靠上述方法還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須結(jié)合實(shí)際的操作環(huán)境對(duì)材料失效過(guò)程進(jìn)行研究，深入了解材料失效起因，直至材料惡化到失效的過(guò)程［3-4］。

為此，本研究以惠州煉廠在役的燃油鍋爐屏式過(guò)熱器材質(zhì)12Cr1MoV 為研究對(duì)象，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合其在鍋爐過(guò)熱器的使用情況，通過(guò)對(duì)材料的斷面及其材料的金相組織、顯微結(jié)構(gòu)等分析，對(duì)導(dǎo)致材料性能劣化到失效的原因進(jìn)行分析，為12Cr1MoV 類加熱爐管在煉廠的實(shí)際應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀形貌觀察

對(duì)裂口管段進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)爐管裂口較小，且附近存在多條平行的裂紋(圖1)。裂口長(zhǎng)約22 mm，最寬處為5 mm，裂口壁厚屬于厚唇裂口。裂口管道變形，斷裂面粗糙而不平整，破口邊緣是鈍邊，徑向分布，爆裂部位管徑有脹粗現(xiàn)象，裂口具有蠕變斷裂的脆性斷口形貌和特征，說(shuō)明該管長(zhǎng)期處于高溫下運(yùn)行，并在應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變，直至破裂［5］。

爆管及延續(xù)部位覆蓋著較厚的氧化膜，并產(chǎn)生較多縱向表面小裂紋，而鋼管周邊的其余部位完好。這些氧化皮很脆，容易剝落。

圖1 裂紋形貌Fig.1 Morphology of crack

1.2 金相組織檢查

截取管壁橫向截面試樣，經(jīng)磨拋觀察，試樣中的顯微組織顯示為鐵素體和珠光體(圖2a)，可在珠光體區(qū)域觀察到存在較明顯的黑色碳化物析出。進(jìn)一步放大觀察，可以看到，碳化物在晶界和晶內(nèi)析出，并逐漸形成鏈狀，說(shuō)明了爐管長(zhǎng)期受過(guò)熱的影響(圖2b)。

金相觀察的結(jié)果表明，管道組織產(chǎn)生嚴(yán)重的珠光體球化。根據(jù)DLT 773—2001(火電廠用12Cr1MoV 鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn))可知，U 形管道材質(zhì)12Cr1MoV 球化程度達(dá)到4 級(jí)——完全球化［6］。

1.3 氧化速率測(cè)定

通過(guò)對(duì)失效爐管外表面氧化層測(cè)厚，外壁損失厚度的測(cè)定與計(jì)算，氧化速率R 公式為［7］:

其中，根據(jù)爆管測(cè)試出來(lái)的爐管外壁損失厚度δM為0.83 mm，爐管運(yùn)行累積時(shí)間t 為3.5 a。由公式(1)計(jì)算出平均氧化速率R 為0.24 mm/a。

圖2 爆管顯微組織Fig.2 Metallographic structure of the pipe

12Cr1MoV 鋼在580 ℃以下具有良好的抗氧化性，腐蝕深度為0.05 mm/a;600 ℃時(shí)性能開(kāi)始變差，腐蝕深度為0.13 mm/a［8］。根據(jù)氧化速率測(cè)定結(jié)果，其操作溫度是大于600 ℃，可以表明爐管外壁氧化層是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期過(guò)熱形成的。

高溫鍋爐管在運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)會(huì)受到蒸汽介質(zhì)作用，在管內(nèi)壁形成氧化皮，氧化皮的傳熱熱阻較大，阻隔了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱交換，從而導(dǎo)致管壁金屬溫度升高，加速了其氧化過(guò)程［9］。

1.4 沉淀物能譜分析

對(duì)管道變形區(qū)內(nèi)壁附著物進(jìn)行微觀觀察，由金相顯微鏡觀察結(jié)果表明管道內(nèi)表面附著物厚度約371.55 μm。附著物明顯由兩層組成。內(nèi)層可以明顯觀察到該層附著物最貼近基體，存在較多的小孔洞，厚度約為212.66 μm;最外的一層附著物存在明顯的大小不一的孔洞，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，厚度約為147.36 μm(圖3)。

對(duì)管道內(nèi)壁的附著物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1。可以看到:管道內(nèi)壁的內(nèi)層附著物以O(shè)、Fe為主，故可以判斷內(nèi)層附著物是由Fe 的氧化物為主，并夾雜有磷酸鹽或者硅酸鹽;外層附著物同樣是以O(shè)、Fe 為主，與內(nèi)層附著物相比，出現(xiàn)了Al、Mo 等元素。根據(jù)附著物的能譜分析結(jié)果表明，附著物的可能由鐵的氧化物、磷酸鹽、硅酸鹽、鉬酸鹽等物質(zhì)組成，這是由于鍋爐水的阻垢劑或者緩蝕劑在管道內(nèi)壁過(guò)熱而在管壁上沉積。

圖3 管道內(nèi)壁顯微觀察Fig.3 Microstructures of the pipe surface

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction/%)

2 分析與討論

爐管在高溫運(yùn)行中，會(huì)發(fā)生高溫氧化過(guò)程，在爐管內(nèi)外壁生成較厚的氧化層，該氧化層的存在導(dǎo)致了蒸汽流量變小從而導(dǎo)致管道長(zhǎng)期過(guò)熱運(yùn)行。爐管長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作時(shí)候，碳化物相分布會(huì)發(fā)生變化。隨著碳化物的粗化和相結(jié)構(gòu)的改變，使?fàn)t管塑性下降，晶界脆性明顯增加［10］。

同時(shí)爐管在彎管過(guò)程中，鋼管經(jīng)歷了外側(cè)管壁減薄，內(nèi)壁管壁增厚以及由圓變成橢圓的過(guò)程。在彎頭側(cè)面以及靠近彎管的內(nèi)側(cè)處鋼管內(nèi)壁的環(huán)向應(yīng)力為軸向開(kāi)裂提供了外因［11-12］。應(yīng)力作用下過(guò)熱的金屬材料隨著時(shí)間的推移而緩慢地產(chǎn)生不能恢復(fù)的塑性變形，并在爐管內(nèi)壁產(chǎn)生蠕變裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)候，導(dǎo)致管道爆裂。

3 建議

為了能使設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，建議如下:

1)建議嚴(yán)格控制爐管溫度，及時(shí)對(duì)管外壁進(jìn)行吹灰，避免管壁局部過(guò)熱而降低使用壽命。

2)嚴(yán)格控制水質(zhì)和蒸汽流量，避免內(nèi)壁的沉淀物生成。

4 結(jié)論

1)材質(zhì)為12Cr1MoV 的燃油鍋爐屏式過(guò)熱器長(zhǎng)期在高于600 ℃下運(yùn)行，導(dǎo)致過(guò)熱管出現(xiàn)了蠕變現(xiàn)象。

2)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，材料珠光體組織發(fā)生了變化，大量的碳化物沿晶界析出，并聚集粗化。

3)鍋爐水的阻垢劑或者緩蝕劑在管道內(nèi)壁因過(guò)熱而在管壁上沉積，形成約371.55 μm 厚度的氧化層。

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