廢能鍋爐高溫過(guò)熱器爐管爆裂失效分析

白海濤

(萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006)

某裝置余熱鍋爐是通過(guò)燃燒工業(yè)廢液和廢氣產(chǎn)生的煙氣熱量為熱源來(lái)加熱12Cr1MoVG爐管（以下簡(jiǎn)稱爐管）中流動(dòng)的鍋爐水，使其產(chǎn)生40公斤蒸汽并入園區(qū)蒸汽管網(wǎng)。其高溫過(guò)熱器爐管規(guī)格φ38mm×3mm，進(jìn)口煙氣溫度為964℃，出口煙氣溫度為832℃，爐管內(nèi)的蒸汽壓力設(shè)計(jì)為4.3MPa。裝置共有AB兩臺(tái)鍋爐間歇使用，B鍋爐自2015年3月16日投入使用（煮爐），保持在30%～50%負(fù)荷運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行1242小時(shí)（約52天）后，在同年11月17日運(yùn)行過(guò)程中2根爐管發(fā)生爆裂泄漏，使鍋爐無(wú)法正常工作。為了防止事故的再次發(fā)生，通過(guò)分析失效爐管的化學(xué)成分、微觀組織以及結(jié)垢物，找到了爐管爆裂的原因。

1 檢驗(yàn)與分析

高溫過(guò)熱器共有8排爐管，爆裂爐管均位于第2排。爆裂口及堵塞部位的爐管位于南數(shù)第14根（以下簡(jiǎn)稱14#）和第29根（以下簡(jiǎn)稱29#）的過(guò)熱器爐管中部偏下位置，其中第14#爐管的一個(gè)下回彎頭存在內(nèi)部完全堵塞現(xiàn)象。爐管爆裂宏觀形貌見(jiàn)圖1。

1.1 爐管宏觀分析

由圖2可見(jiàn)，14#爐管的爆裂口呈大喇叭狀，屬典型的短時(shí)超溫（或超壓）爆裂口形貌特征，爆裂口邊緣較薄，長(zhǎng)約82mm，張口最大尺寸約65mm，爆口最大處的外壁邊緣有明顯的樹(shù)皮皺，表明該部位在未爆裂之前就已經(jīng)存在高溫蠕變現(xiàn)象。爆口邊緣氧化層基本已脫落，其他部位內(nèi)外壁氧化層厚度約0.8mm，未見(jiàn)明顯內(nèi)部結(jié)垢。

由圖3可見(jiàn)，29#爐管的爆裂口較小，屬典型的長(zhǎng)期高溫蠕變爆口形貌特征，爆口邊緣有較厚的氧化層，表面該部位高溫氧化嚴(yán)重。爆口邊緣氧化層有的已經(jīng)脫落，測(cè)得內(nèi)外壁氧化層厚度分別約0.6mm和0.55mm。

圖1 爐管爆裂宏觀形貌

圖2 14#爐管爆口及附近形貌

圖3 29#爐管爆口及附近形貌

1.2 化學(xué)成分分析

分別對(duì)14#和29#爐管進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，表面爐管的化學(xué)成分滿足GB/T 5310標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)12Cr1MoVG爐管的化學(xué)成分要求。

1.3 金相分析

選取14#爐管“A”、“C”、“G”剖面處和29#爐管“A”、“B”、“E”剖面處，金相分析面見(jiàn)圖4，其中爆裂口處均為A截面。

圖4 金相分析部位

（1）電子金相。分別對(duì)爐管截面的不同部位進(jìn)行掃描電鏡分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。14#爐管爆裂口A截面“1”和“5”處均有明顯蠕變裂紋被拉長(zhǎng)現(xiàn)象。“2”和“4”有蠕變裂紋（主要呈楔形狀裂紋），表面該部位存在明顯的相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的超溫現(xiàn)象（見(jiàn)圖5a）；“C”和“G”截面均有面向的蠕變空洞，也發(fā)有榫形裂紋狀（見(jiàn)圖5b、c）；夾雜物已脫落的空洞處有明顯的塑性變形，表明“3”背火面也發(fā)生了蠕變，但相對(duì)輕微。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

圖5 14#爐管電子金相

29#爐管爆裂口A截面“1”部位為爆裂口形貌，在爆裂口邊緣有高溫氧化痕跡，在“2”和“4”可觀察到有明顯的蠕變裂紋，“3”有蠕變空洞存在（見(jiàn)圖6a）；B截面“1”部位雖未穿透，但剩余厚度僅有約0.65mm，在其外表面上還可觀察到深約0.4mm的小蠕變裂紋，“2”、“3”、“4”部位可見(jiàn)有蠕變裂紋或蠕變空洞（見(jiàn)圖6b）；E截面上有明顯的蠕變空洞，夾雜物已脫落的空洞處有明顯的塑性變形（見(jiàn)圖6c）。

（2）光學(xué)金相。分別對(duì)爐管不同部位進(jìn)行金相組織觀察，觀察結(jié)果見(jiàn)圖7、8和表2。由表2可見(jiàn)，兩根爆管的爆裂口側(cè)（向火面）均已球化，表明爐管長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，使珠光體發(fā)生了嚴(yán)重球化。

圖6 29#爐管電子金相

2 分析與討論

2.1 主要分析結(jié)果

宏觀檢查結(jié)果可知，14#爐管爆裂口主要具有短時(shí)超溫爆口形貌特征，在爆口邊緣外還有高溫蠕變形貌特征，表明該段在發(fā)生爆管前就已有蠕變現(xiàn)象；29#爐管爆裂口具有典型的高溫蠕變爆口特征。

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，兩根爆管的化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

金相組織分析結(jié)果可知，兩根管均發(fā)生了明顯的球化現(xiàn)象，爆裂口側(cè)（向火面）發(fā)生嚴(yán)重球化（5級(jí)）。

圖7 14#爐管光學(xué)金相

圖8 29#爐管光學(xué)金相

表2 金相組織分析結(jié)果

電子金相顯示，兩根爆裂口均有蠕變楔形裂紋和蠕變空洞。

2.2 原因討論

分析結(jié)果表明，該鍋爐高溫過(guò)熱器爆裂的爐管同時(shí)存在兩種失效現(xiàn)象，即14#爐管的短時(shí)超溫爆管和29#長(zhǎng)期蠕變爆管。分析發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)為短時(shí)超溫爆管的14#爐管同時(shí)還存在蠕變損失，結(jié)合14#管和29#管金相組織的珠光體球化程度相近（5級(jí)，即嚴(yán)重球化）的現(xiàn)象判斷，14#管是在已存在嚴(yán)重超溫運(yùn)行導(dǎo)致的蠕變損失的情況下又經(jīng)歷了短時(shí)嚴(yán)重超溫后發(fā)生的爆管。由此可見(jiàn)，該鍋爐高溫過(guò)熱器部分管子運(yùn)行期間存在較嚴(yán)重超溫現(xiàn)象，爐管組織容易產(chǎn)生珠光體球化，珠光體球化在降低爐管高溫性能的同時(shí)，也降低了爐管的使用壽命，導(dǎo)致管子過(guò)早發(fā)生材質(zhì)劣化和蠕變損失。

根據(jù)擴(kuò)散控制理論，球化時(shí)間t與使用溫度T之間有如下關(guān)系式：Lnt=LnA+B/T

式中：A和B均為材料系數(shù)。

對(duì)于12Cr1MoV鋼，達(dá)5級(jí)球化的時(shí)間t與溫度T的關(guān)系如下：

T=33500/(Lnt+26.94921)-273.15

將過(guò)熱器的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間t=1242h代人上式算得運(yùn)行的平均管壁溫度約710℃，而12Cr1MoV鋼在鍋爐過(guò)熱器中的設(shè)計(jì)最高使用溫度為580℃。由此可見(jiàn)，失效過(guò)熱器爐管運(yùn)行中基本處于嚴(yán)重超溫運(yùn)行狀態(tài)。從爐管剖開(kāi)情況來(lái)看，14#爐管上游存在嚴(yán)重的堵管現(xiàn)象，而29#爐管存在高溫蠕變損失，由此推斷堵管并不是導(dǎo)致過(guò)熱器爐管出現(xiàn)超溫的主要原因，但會(huì)加劇14#爐管材質(zhì)劣化和蠕變損失，并最終導(dǎo)致短時(shí)超溫爆裂。

綜上分析認(rèn)為，由于鍋爐長(zhǎng)期在30%～50%之間低負(fù)荷運(yùn)行，容易造成蒸汽偏流，導(dǎo)致流量低的管子發(fā)生超溫現(xiàn)象，由于爐管長(zhǎng)時(shí)間處于超溫環(huán)境下發(fā)生高溫蠕變，空洞或蠕變空穴沿晶界形成。隨著空洞或蠕變空穴的不斷長(zhǎng)大和聚集，爐管材料的強(qiáng)度不斷下降，當(dāng)其強(qiáng)度承受不住管內(nèi)超高壓氣體的壓力時(shí)，就造成了爐管的爆裂。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）該鍋爐高溫過(guò)熱器爆管是由于爐管運(yùn)行中嚴(yán)重超溫導(dǎo)致的材質(zhì)劣化和高溫蠕變?cè)斐桑l(fā)生高溫蠕變，鍋爐開(kāi)工后長(zhǎng)期在低負(fù)荷下運(yùn)行造成蒸汽偏流是導(dǎo)致部分爐管嚴(yán)重超溫的重要原因之一。

（2）14#爐管是在管子材質(zhì)劣化和蠕變損傷后又在局部發(fā)生短時(shí)嚴(yán)重超溫并導(dǎo)致爆管，短時(shí)超溫是因該爐管上游下回彎彎頭（低點(diǎn)）發(fā)生堵管引起的。

（3）為防止此類事故的再發(fā)生，必須嚴(yán)格控制爐管的工作溫度，即避免在低負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，防止鍋爐爐管的出現(xiàn)局部長(zhǎng)期超溫過(guò)熱和蠕變提前發(fā)生。