余熱鍋爐蒸發(fā)器彎頭穿孔泄漏原因分析

伍韶君，錢克甫

（1.蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心，安徽蕪湖 241004；2.安徽海螺川崎節(jié)能設(shè)備制造有限公司，安徽蕪湖 241136）

0 引言

某水泥廠1臺窯尾余熱鍋爐，為自然循環(huán)蒸汽鍋爐，鍋爐型號QC210/350-18-0.92/327，設(shè)計進口煙氣流量210 000 m3/h，進口煙氣溫度350℃，煙氣中含塵量85 g/m3，額定蒸發(fā)量18 t/h，額定蒸汽壓力0.92 MPa，額定蒸汽溫度327℃。

鍋爐運行3年半后，先后有多根蒸發(fā)器管彎頭部位發(fā)生泄漏。蒸發(fā)器管為豎直布置，煙氣水平流過蒸發(fā)器管。蒸發(fā)器彎頭如圖1所示，穿孔位置大多位于豎管底部彎頭的內(nèi)側(cè)，失效彎頭實物圖如圖2所示，管子外壁未見明顯腐蝕和磨損現(xiàn)象。蒸發(fā)器管材質(zhì)為20（GB 3087—2008[1]），規(guī)格為Φ32 mm×3 mm，管內(nèi)工作介質(zhì)為汽水混合物，工作壓力1.1 MPa，工作溫度188℃；管子外側(cè)煙氣溫度220℃，彎頭成型工藝為180°冷彎，彎管半徑60 mm，管子彎好通球試驗合格后焊接振打件（含管托和振打桿），未經(jīng)熱處理，制造標準為GB/T 16507.5—2013[2]。實際運行中彎頭振打周期為20 s。2 理化檢驗

2.1 顯微鏡觀察

將失效的蒸發(fā)器管沿軸向剖開，取中部帶小孔的一段進行觀察。顯示彎頭內(nèi)側(cè)外壁上的小孔基本呈圓形，直徑略小于1 mm，在小孔周圍外表面呈現(xiàn)較為平整的形貌，如圖3a所示；在小孔邊緣存在較大的腐蝕裂紋和一些較小的網(wǎng)狀腐蝕孔和裂紋，如圖3b所示。穿孔部位在內(nèi)壁處有長條裂紋，裂紋和管子的變形方向平行，裂紋長約4 mm，中部寬約0.45 mm，在其裂紋的兩端延伸方向存在著線狀的腐蝕產(chǎn)物，如圖4所示。圖5a顯示內(nèi)壁裂紋周圍存在泥狀腐蝕產(chǎn)物，圖5b顯示在裂紋周圍存在長條形腐蝕坑。將內(nèi)壁裂紋進行破斷，圖6顯示腐蝕源處尺寸內(nèi)壁寬外壁窄，即腐蝕起源于管壁內(nèi)表面其中，SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電鏡）。圖7顯示腐蝕源處表面被厚厚的腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，難以顯示金屬斷口的微觀形貌。

圖1 蒸發(fā)器彎頭

圖2 內(nèi)側(cè)穿孔失效的彎頭

圖3 外壁小孔形貌

圖4 內(nèi)壁裂紋形貌

圖5 內(nèi)壁裂紋周圍情況

2.2 壁厚測定

用超聲波測厚儀測量穿孔部位，四周管壁的厚度（3.11～3.32）mm，直管部位的壁厚（2.91～3.03）mm，穿孔部位壁厚明顯要厚于直管部位壁厚。應(yīng)該是由于穿孔部位處于蒸發(fā)器管彎頭位置的內(nèi)側(cè)，管子在180°彎曲變形時發(fā)生擠壓，致使彎頭內(nèi)側(cè)管壁產(chǎn)生一定的增厚。

圖6 內(nèi)壁裂紋破斷面SEM低倍形貌

2.3 彎頭圓度測量

沿失效彎頭振打桿焊接端部徑向剖開，彎頭的橫截面如圖8所示。測量該彎頭橫截面的最大外徑Dmax和最小外徑Dmin分別為33.49 mm和28.81 mm（不包括焊接部分）。根據(jù)制造標準[2]公式（5），圓度=2×（Dmax－Dmin）（/Dmax＋Dmin）×100%，計算得到彎頭圓度為15%。根據(jù)標準[2]6.4.2.4.2 條，當 1.4＜R/D0＜2.5時，圓度≤12%，本案例中的失效彎頭R/D0=60/32=1.88，實測彎頭圓度15%超過標準[2]規(guī)定值12%。對剖開的截面進一步觀察，顯示彎頭內(nèi)側(cè)管壁中部存在裂紋，并由內(nèi)表面向外表面擴展，如圖9所示，進一步證實腐蝕源于管壁內(nèi)表面。

圖7 腐蝕源處表面的SEM形貌

圖8 沿徑向剖開的彎頭橫截面

圖9 彎頭內(nèi)側(cè)管壁

圖10 金相分析顯示的裂紋形貌

2.4 金相分析

將彎頭內(nèi)側(cè)內(nèi)壁裂紋四周打磨、拋光，制成金相試樣，圖10顯示在主裂紋的附近存在數(shù)條小裂紋，圖11顯示了與主裂紋相連的二次裂紋形貌。圖12為裂紋旁的金相組織，顯示其金相組織為鐵素體+珠光體，根據(jù)評級標準[3]，球光體球化級別被評為1.5級，彎頭的金相組織正常。圖13為二次裂紋尾部的圖片，顯示二次裂紋的擴展是沿著晶界進行的。

2.5 化學(xué)成分

對失效彎頭取樣進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1，結(jié)果符合鋼管標準[1]的要求。

表1 失效彎頭的化學(xué)成分 %

圖11 與主裂紋相連的二次裂紋形貌

圖12 裂紋旁的金相組織

圖13 二次裂紋沿晶界擴展

3 分析討論

從上述檢驗結(jié)果可以看出，本案例中失效彎頭的化學(xué)成分和金相組織正常，穿孔部位四周管壁未發(fā)生均勻腐蝕減薄，失效彎頭內(nèi)側(cè)內(nèi)壁上存在縱向主裂紋、二次裂紋和腐蝕源，腐蝕是由管壁內(nèi)表面向外表面進行，二次裂紋沿著晶界擴展，失效彎頭的圓度超標。

由于無法還原彎頭內(nèi)壁裂紋的最初形貌，該裂紋可能是由管子在180°冷彎制造時產(chǎn)生的變形微裂紋擴展而來，也有可能是彎頭在工作時所產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋。彎頭在制造冷彎過程中，彎頭內(nèi)側(cè)將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，彎管的圓度超過制造標準[2]規(guī)定值，彎頭的外側(cè)背彎面又焊有振打桿，焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力可能加大了對彎頭內(nèi)側(cè)的拉應(yīng)力，使彎頭內(nèi)側(cè)內(nèi)壁在制造過程中產(chǎn)生微裂紋成為可能。

蒸發(fā)器管在工作時管內(nèi)介質(zhì)為汽水混合物，查閱該臺鍋爐的水質(zhì)化驗記錄，給水和鍋水的各項指標符合GB/T 1576—2008[4]中采用鍋外水處理的自然循環(huán)蒸汽鍋爐水質(zhì)標準，鍋水的pH值在11.5～12.0，接近于水質(zhì)標準[4]中10.0～12.0的上限值，管內(nèi)介質(zhì)的堿性較強。此外，蒸發(fā)器管為立式布置，停爐后，管內(nèi)的水無法排出，豎管底部彎頭處的水含鹽濃度比較高，加重了對該彎管內(nèi)壁的腐蝕。根據(jù)GB/T 30579—2014[5]，堿濃度超過5%（質(zhì)量分數(shù)）時開裂就可能發(fā)生，隨堿濃度升高，開裂敏感性升高。彎頭在拉伸應(yīng)力和堿性介質(zhì)的共同作用下，使產(chǎn)生堿應(yīng)力腐蝕裂紋成為可能。檢驗中觀察到二次裂紋沿晶界擴展的特征，與標準[5]中闡述的碳鋼堿應(yīng)力腐蝕開裂“主要呈沿晶擴展”是相符的。因此，該鍋爐蒸發(fā)器彎頭在工作時內(nèi)壁極有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

4 結(jié)論

余熱鍋爐蒸發(fā)器彎頭穿孔泄漏的原因是由于彎頭內(nèi)壁存在縱向裂紋，經(jīng)管內(nèi)堿性腐蝕介質(zhì)腐蝕逐漸穿透管壁，并在管內(nèi)水壓穿透力的作用下在管外壁形成腐蝕圓孔。在制造廠提高彎管質(zhì)量，控制好彎頭的圓度等指標。在使用過程中，控制好管內(nèi)鍋水的堿度有助于提高彎頭的使用壽命。