高溫過熱器蛇形管開裂分析及對策*

鄭 軍 何鑫業(yè) 丁 敏

(1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.中國特種設(shè)備檢測研究院)

高溫過熱器蛇形管開裂分析及對策*

鄭 軍**1何鑫業(yè)1丁 敏2

(1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.中國特種設(shè)備檢測研究院)

通過宏觀檢驗(yàn)、力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡斷口分析以及能譜分析等方法，對某廠動力車間鍋爐高溫過熱器蛇形管開裂失效原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明: 高溫過熱器蛇形管是在局部長期超溫的條件下，材料發(fā)生了珠光體球化和石墨化并受到管內(nèi)介質(zhì)沖刷磨損減薄，內(nèi)壁周邊發(fā)生軸向裂紋缺陷，最終使得高溫過熱器蛇形管的性能下降，從而產(chǎn)生失效開裂。

高溫過熱器 蛇形管 12Cr1MoVG 石墨化 開裂

12Cr1MoVG因具有較高的耐高溫持久強(qiáng)度、良好的工藝性能而被廣泛應(yīng)用于工作溫度不超過580℃的鍋爐過熱器、再熱器、工作溫度不超過565℃的集箱以及高壓管道等部位。2010年上半年某廠動力車間鍋爐高溫過熱器多次發(fā)生設(shè)備故障，被迫緊急停車。先后多次對鍋爐高溫過熱器進(jìn)行了改造維修，6月份由于鍋爐高溫過熱器蛇形管再次發(fā)生多處爆裂，停車并更換了過熱器的所有爐管，但使用不到3個月蛇形管彎管部位又出現(xiàn)兩處開裂，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為此，受業(yè)主委托，筆者對開裂管段取樣分析，提出了防護(hù)建議和對策。

1 宏觀檢查

高溫過熱器工作壓力(管內(nèi))9.81MPa，工作溫度(管內(nèi))550℃，管內(nèi)介質(zhì)為蒸汽，管外介質(zhì)為煙氣(含SO2、CO、CO2及NOx等)。裂紋位于彎管外側(cè)，沿軸向裂開，管段外表面存在厚0.4～0.6mm的黑色氧化皮和大量點(diǎn)蝕坑。管段內(nèi)表面附有較厚黑色腐蝕產(chǎn)物，開裂部位沿軸向呈梭形位于彎管背部，裂口長約50mm，最寬處約7mm，裂口內(nèi)壁周邊發(fā)現(xiàn)有大量軸向裂紋，呈直線狀近似平行排列，深度較淺。開裂部位發(fā)現(xiàn)明顯鼓脹，鼓脹高度最大約5mm，開裂部位管壁減薄，宏觀斷口無金屬光澤。

2 理化分析

2.1壁厚及硬度測定

該蛇形管的標(biāo)稱尺寸為φ38mm×4.5mm，通過卡尺及超聲波壁厚測定，該管的彎管部位明顯減薄，斷面實(shí)測最小壁厚為3.0mm；彎管背部最小壁厚為3.21mm；彎管側(cè)部最小壁厚為3.73mm；直段最小壁厚為3.92mm。

實(shí)測壁厚數(shù)據(jù)表明：更換投用后的蛇形管的彎管部位明顯減薄，減薄量已接近標(biāo)稱尺寸的三分之一。

分別在直管段和彎管部位進(jìn)行了硬度測定，其值在HB115～168之間，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2材料成分光譜分析

對鋼管外表面清理后進(jìn)行光譜分析，測試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值見表1,分析表明：開裂管段材料成分符合標(biāo)稱材料(12Cr1MoVG)元素含量標(biāo)準(zhǔn)值(GB 5310-2008)。

表1 光譜分析數(shù)據(jù) %

2.3斷口掃描電鏡及腐蝕產(chǎn)物X射線能譜分析

在蛇形管彎管開裂部位進(jìn)行取樣(圖1)，對其中的1#樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡及X射線能譜分析。如圖2所示，對1#樣品進(jìn)行分區(qū)：樣品外表面(壁)、樣品內(nèi)表面(壁)、斷口開裂區(qū)(黑色區(qū)域，A區(qū))、斷口過渡區(qū)(灰色區(qū)域，B區(qū))以及斷口撕裂區(qū)(銀灰色區(qū)域，C區(qū))。

圖1 宏觀取樣

圖2 1#樣品分析部位分區(qū)圖

用掃描電子顯微鏡觀察1#樣品外表面(壁)形貌如圖3所示，外表面(壁)存在大量點(diǎn)蝕坑，并分布有較多氧化物夾雜。X射線能譜分析結(jié)果顯示S含量較高，這與管外介質(zhì)中S含量較高有關(guān)。

圖3 1#樣品外表面(壁)形貌 ×100

用掃描電子顯微鏡觀察1#樣品內(nèi)表面(壁)形貌如圖4所示，內(nèi)表面(壁)附有較厚黑色腐蝕產(chǎn)物，大量直線狀裂紋沿裂口周邊軸向近似平行排列，裂紋較淺，呈現(xiàn)高溫爆裂裂口特征。

圖4 1#樣品內(nèi)表面(壁)形貌 ×100

掃描電子顯微鏡觀察1#樣品A區(qū)斷口形貌如圖5所示，斷口呈現(xiàn)瞬時脆斷特征，且表面附著有大量腐蝕產(chǎn)物。能譜分析顯示Ca含量較高。

圖5 1#樣品A區(qū)形貌 ×200

掃描電子顯微鏡觀察1#樣品過渡區(qū)(B區(qū))斷口形貌如圖6所示，斷口可觀察到明顯臺階狀特征，偏向開裂區(qū)一側(cè)有較多氧化產(chǎn)物，偏向撕裂區(qū)一側(cè)可觀察到明顯的石墨化孔洞。

圖6 過渡區(qū)形貌(B區(qū)) ×200

掃描電子顯微鏡觀察1#樣品撕裂區(qū)(C區(qū))斷口形貌如圖7所示，斷口形貌呈沿晶破裂特征，可明顯觀察到大量石墨化孔洞。

圖7 撕裂區(qū)形貌(C區(qū)) ×100

2.4金相分析

對2#樣品進(jìn)行取樣、磨制和拋光，取樣部位如圖8所示，金相照片如圖9所示。從2#樣品徑向截面觀察大量碳化物高度彌散于晶內(nèi)及晶界，并聚集長大，組織出現(xiàn)大量珠光體球化和石墨化黑色孔洞；主裂紋由管外向內(nèi)呈臺階狀擴(kuò)展，裂紋附近碳化物聚集更加明顯。

a. 珠光體球化和石墨化形態(tài) ×400

b. 主裂紋由管外向內(nèi)擴(kuò)展 ×100

c. 主裂紋裂紋尖端形態(tài) ×400

3 原因分析

按照設(shè)計(jì)要求，供貨規(guī)格應(yīng)為φ38mm×4.5mm，而彎管成型后彎管部位壁厚偏薄。動力車間鍋爐高溫過熱器蛇形管是在局部長期超溫的條件下材料發(fā)生了珠光體球化和石墨化，從而產(chǎn)生的失效開裂。

管內(nèi)蒸汽介質(zhì)不純、品質(zhì)不高導(dǎo)致內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重，對管壁溫度的升高起到了一定的促進(jìn)作用。管內(nèi)蒸汽溫度550℃，管外煙氣溫度達(dá)600℃以上，形成由管外向管內(nèi)的溫度梯差；彎管位于向火面，長期高溫，管內(nèi)污垢和管外氧化皮又進(jìn)一步抑制了熱量的擴(kuò)散，造成局部長期超溫，使得彎管部位金屬失效。

安裝產(chǎn)生的應(yīng)力、工作時管內(nèi)蒸汽環(huán)向薄膜應(yīng)力和由載荷、振動引起的應(yīng)力及溫差作用而產(chǎn)生的熱應(yīng)力等相互疊加也是導(dǎo)致?lián)Q熱管開裂的因素。

4 建議對策

4.1要求制造廠商所使用的鋼管成型后彎管部位規(guī)格應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的φ38mm×4.5mm，以保證強(qiáng)度要求。

4.2嚴(yán)格控制管內(nèi)的蒸汽溫度及管外的煙氣溫度，盡可能降低管壁溫度梯度差，采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐股咝喂芡獗谘趸徊扇〈胧ι咝喂艿谋跍剡M(jìn)行監(jiān)測，避免局部長時間超溫運(yùn)行而導(dǎo)致管壁金屬蠕變失效。

4.3加強(qiáng)日常的生產(chǎn)和工藝管理，定期分析化驗(yàn)鍋爐水水質(zhì)，了解其雜質(zhì)含量是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，改善水質(zhì)的控制措施和處理手段，減少雜質(zhì)元素，定期清理管內(nèi)污垢，防止管壁溫度升高造成超溫爆管。

4.4加強(qiáng)綜合治理，對該鍋爐高溫過熱器蛇形管部位進(jìn)行系統(tǒng)熱分布的檢測，通過各組各排彎管顏色、氧化皮形態(tài)、管徑的變化、抽樣割管檢測以及金相分析等方法，掌握了過熱器蛇形管超溫過熱的范圍并配合工藝、設(shè)計(jì)和制造維護(hù)各專業(yè)部門提出合理的整改方案，通過變更材料、改變結(jié)構(gòu)和煙氣流的分布，改進(jìn)了供水質(zhì)量，至今再未發(fā)生爆管事件。

*質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201410028)。

**鄭 軍，男，1983年2月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

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0254-6094(2016)05-0695-04

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