12Cr1MoVG鋼屏式再熱器爆管原因

楊軍勝, 陳 元

(陜西清水川能源股份有限公司, 榆林 719405)

在12Cr1MoVG鋼材料中加入少量的釩元素，可以降低鉻元素、鉬元素由鐵素體向碳化物轉(zhuǎn)變的速率，從而提高材料的穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性。彌散分布的碳化物強(qiáng)化了鐵素體基體，使材料具有焊接工藝良好、熱處理工藝成熟、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于蒸汽管道、集箱、過(guò)熱器、再熱器等部件的制造中[1-2]。再熱器是水管鍋爐的重要部件，其管屏?xí)艿捷椛涞挠绊?、燃燒產(chǎn)物的腐蝕、飛灰的磨損及管內(nèi)高溫高壓蒸汽的氧化，使部分管子產(chǎn)生熱偏差和腐蝕損傷，從而導(dǎo)致超溫爆管[3]，這嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。針對(duì)鍋爐過(guò)熱器、再熱器爆管，國(guó)內(nèi)外均有不少文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了研究，對(duì)于分析爆管的原因及預(yù)防爆管方面提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)[4-5]。

在某電廠300 MW機(jī)組鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)屏式再熱器泄漏，泄漏具體位置為屏式再熱器受熱面管子夾持定位管的彎頭B至A側(cè)第5排，材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為63 mm×5 mm(外徑×壁厚)，再熱器出口設(shè)計(jì)壓力為3.76 MPa，出口蒸汽溫度為541 ℃，已累計(jì)運(yùn)行50 000 h。對(duì)其他管屏相同部位進(jìn)行滲透檢測(cè)(PT)，發(fā)現(xiàn)B至A側(cè)第3排彎頭外弧面有線性缺陷。筆者從屏式再熱器的宏觀形貌、化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度等方面對(duì)爆管的根本原因進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)和預(yù)防措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)爆口處進(jìn)行觀察，其宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：爆口位于彎頭起彎處的向火面(外弧面)，沿管子縱向開(kāi)裂，裂紋總長(zhǎng)度約為48 mm，裂紋深度貫穿整個(gè)壁厚。爆口邊緣粗鈍，外壁呈灰黑色，表面存在結(jié)焦和較厚的氧化皮；內(nèi)壁存在結(jié)垢。爆口邊緣和尖端附近分布著大量微裂紋，整個(gè)爆口呈典型長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱的特征。

圖1 爆口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

取直管段試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示，通過(guò)分析可知爆管試樣化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的技術(shù)要求。

表1 爆管試樣化學(xué)成分 %

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

分別在直管段的向火面和背火面(內(nèi)弧面)沿縱向各取1個(gè)拉伸試樣。按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：直管段試樣的室溫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)的下限值，力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的要求，可見(jiàn)直管段試樣的力學(xué)性能處于較好水平，但是向火面的力學(xué)性能均低于背火面，可見(jiàn)向火面的性能劣化較為嚴(yán)重。

表2 試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

1.4 硬度測(cè)試

分別在管樣的直段、彎頭彎曲中心以及爆口處截取全壁厚環(huán)狀試樣。按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》分別在試樣向火面和背火面的位置進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知：直管段試樣的向火面的硬度為177 HV，背火面的硬度為185 HV，均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的要求，且向火面的硬度略低于背火面，這與直管段試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)；管樣彎頭彎曲中心處向火面的硬度為171 HV，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的要求，背火面的硬度為201 HV，高于向火面硬度且超出標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的要求，分析為彎曲變形強(qiáng)化所致。彎管為冷彎成型，成型后沒(méi)有進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，運(yùn)行中彎頭向火面直接與煙氣接觸，在彎頭內(nèi)外產(chǎn)生溫度差，向火面溫度高于背火面，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行相當(dāng)于對(duì)向火面進(jìn)行了消應(yīng)力回火，宏觀表現(xiàn)為向火面的硬度低于背火面的硬度。管樣爆口處均位于彎頭起彎處的向火面，爆口附近硬度為108 HV，對(duì)應(yīng)背火面的硬度為185 HV，爆口附近硬度顯著低于背火面的硬度，并且低于彎頭彎曲中心處的向火面硬度。

表3 維氏硬度測(cè)試結(jié)果 HV

1.5 金相檢驗(yàn)

對(duì)管樣的直段和彎頭處沿橫截面各截取1個(gè)全壁厚環(huán)狀試樣，對(duì)其進(jìn)行機(jī)械拋光后，采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕，然后在Olympus GX-51型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察。

1.5.1 直管段顯微組織分析

直管段向火面和背火面的顯微組織形貌如圖2所示，向火面和背火面的顯微組織均為鐵素體+貝氏體+碳化物。向火面的球化級(jí)別為3級(jí)(中度球化)，背火面的球化級(jí)別為2級(jí)(輕度球化)，向火面球化程度大于背火面，這與力學(xué)性能及硬度的測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖2 直管段顯微組織形貌

1.5.2 彎頭處微觀形貌

管樣彎頭處顯微組織形貌如圖3所示，向火面的顯微組織為鐵素體+碳化物，球化級(jí)別為5級(jí)(嚴(yán)重球化)；背火面的顯微組織為鐵素體+貝氏體+碳化物，球化級(jí)別為2級(jí)(輕度球化)。向火面的球化程度大于背火面，這與硬度測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖3 管樣彎頭處顯微組織形貌

彎頭內(nèi)壁、外壁氧化層的微觀形貌如圖4所示，可以看出管樣彎頭處的內(nèi)壁、外壁均形成較厚的氧化層，且向火面氧化層厚度大于背火面氧化層厚度，外壁氧化層厚度大于內(nèi)壁氧化層厚度，向火面外壁氧化層的最大厚度達(dá)到530 μm～557 μm，內(nèi)壁氧化層的最大厚度達(dá)到270 μm～306 μm。彎頭彎曲中心處向火面的剩余壁厚為3.9～4.1 mm，背火面的壁厚未見(jiàn)明顯減薄。

1.5.3 爆口處微觀形貌

爆口處的微觀形貌如圖5所示,由圖5可知，爆口起源于彎頭起彎處的向火面，向火面附近存在較多的微裂紋，裂紋由外壁沿晶界向內(nèi)壁擴(kuò)展。爆口處的顯微組織為鐵素體+碳化物，球化級(jí)別為5級(jí)(嚴(yán)重球化)，組織中沿晶界已產(chǎn)生明顯的鏈狀孔洞，并沿晶界逐漸擴(kuò)展。爆口處外壁有較多縱向的沿晶蠕變裂紋，爆口處外壁、內(nèi)壁均形成了較厚的氧化層，爆口處的有效壁厚僅為1.2 mm，爆口附近的剩余壁厚僅為2.5 mm。

圖5 爆口處微觀形貌

1.6 爆口處掃描電鏡及能譜分析

對(duì)管樣爆口處沿橫截面取樣，采用掃描電子顯微鏡對(duì)截面進(jìn)行微觀形貌觀察及能譜分析，試樣的微觀形貌如圖6所示，能譜分析結(jié)果如表4所示。

圖6 爆口處截面微觀形貌

表4 爆口處能譜分析結(jié)果 %

由圖6可知：爆口周圍外壁氧化層的總厚度為719 μm；外壁氧化層具有3層結(jié)構(gòu)：最外層為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的焦層，中間層和最內(nèi)層為氧化膜，中間層較疏松，最內(nèi)層較致密。能譜分析結(jié)果顯示：最外層主要成分為鐵的氧化物，其次含有鋁、硅、鈣、硫、鉀等雜質(zhì)元素；中間和最內(nèi)氧化層主要成分為鐵的氧化物，中間層含氧量高，最內(nèi)層含氧量低，中間層和最內(nèi)層均有一定含量的硫元素。

爆口處外壁和內(nèi)壁均分布著較多縱向的沿晶蠕變裂紋。裂紋在外壁為沿鐵素體晶界，由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋在內(nèi)壁為由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。對(duì)裂紋尖端的微觀形貌進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋一直延伸至管壁中部，嚴(yán)重球化的鐵素體晶界周圍存在沿晶微裂紋。能譜分析結(jié)果顯示：裂紋內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物主要成分為鐵的氧化物，并且含有一定量的硫元素。掃描電鏡分析結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果一致，進(jìn)一步證明該爆口具有典型長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱的特征。

2 綜合分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，直管段試樣的力學(xué)性能和硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的要求，其顯微組織為鐵素體+貝氏體+碳化物，直管段試樣向火面的球化級(jí)別為3級(jí)(中度球化)，背火面的球化級(jí)別為2級(jí)(輕度球化)，可見(jiàn)高溫服役后直管段試樣向火面的性能、組織劣化較為嚴(yán)重。直管段的內(nèi)壁、外壁均覆蓋有一層較薄的氧化層，壁厚未見(jiàn)明顯減薄。

管樣彎頭彎曲中心處的硬度未見(jiàn)異常，其向火面的硬度低于背火面的硬度。向火面的顯微組織為鐵素體+碳化物，其球化級(jí)別為5級(jí)(嚴(yán)重球化)；背火面的顯微組織為鐵素體+貝氏體+碳化物，其球化級(jí)別為2級(jí)(輕度球化)，表明彎頭彎曲中心處向火面的性能劣化更為嚴(yán)重。彎頭彎曲中心處內(nèi)壁、外壁均覆蓋有一層均勻的氧化層，向火面外壁氧化層的最大厚度為530 μm～557 μm，內(nèi)壁氧化層最大厚度為270 μm～306 μm，氧化是材料在高溫環(huán)境下失效的一個(gè)重要原因[4]；彎頭彎曲中心處向火面的剩余壁厚為3.9～4.1 mm，背火面的壁厚未見(jiàn)明顯減薄。

爆口處向火面的內(nèi)壁、外壁均有蠕變裂紋，且均形成較厚的氧化層，壁厚發(fā)生嚴(yán)重減薄，顯微組織均為鐵素體+碳化物，球化級(jí)別為5級(jí)(嚴(yán)重球化)。由掃描電鏡及能譜分析結(jié)果可知，爆口處外壁氧化層具有3層結(jié)構(gòu)，最外層為較復(fù)雜的焦層，其主要成分為鐵的氧化物，其次含有鋁、硅、鈣、硫、鉀等雜質(zhì)元素，中間層和最內(nèi)層為氧化膜，其主要成分為鐵的氧化物，還含有一定量的硫元素。中間層較疏松、氧元素含量高，可見(jiàn)是金屬發(fā)生了完全氧化；最內(nèi)層較致密、氧含量低，說(shuō)明金屬發(fā)生了部分氧化。爆口周圍沿晶蠕變裂紋內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物除了鐵的氧化物外，還含有一定量的硫元素。

鍋爐燃燒過(guò)程中，煤粉顆粒所含易熔或易氣化的物質(zhì)迅速揮發(fā)成氣態(tài)進(jìn)入煙氣，當(dāng)溫度降低時(shí)發(fā)生凝結(jié)，黏附在煙氣沖刷的受熱面、爐墻上，或在飛灰顆粒表面形成熔融的堿化物膜(也稱堿性膜)，然后黏附在受熱面上形成初始結(jié)焦層，成為結(jié)焦發(fā)展的條件。隨著外表面溫度不斷升高，結(jié)焦層越來(lái)越厚。結(jié)焦使受熱面的傳熱熱阻增大，傳熱惡化導(dǎo)致火焰中心上移，爐膛出口煙氣溫度升高，金屬管壁的溫度甚至出現(xiàn)超溫，從而加劇了金屬材料的氧化和組織老化。

12Cr1MoVG鋼材料的顯微組織為鐵素體+貝氏體，貝氏體中的滲碳體具有較大的表面能，存在從較高能量向較低能量轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，在高溫和內(nèi)外應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，原子擴(kuò)散能量增強(qiáng)，逐漸發(fā)生滲碳體由片狀向球狀的球化轉(zhuǎn)變[7]。滲碳體從固溶體中析出，逐漸聚集長(zhǎng)大并向晶界轉(zhuǎn)移[8-9]，使材料的熱強(qiáng)性下降，最終發(fā)生高溫蠕變，產(chǎn)生蠕變裂紋。蠕變裂紋是由蠕變過(guò)程中晶界滑動(dòng)在晶界三叉節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中造成的[10]，先產(chǎn)生晶界孔洞，形成晶界臺(tái)階，然后在晶界三叉節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生微裂紋，并沿晶界擴(kuò)展，在內(nèi)部介質(zhì)壓力的作用下，最終發(fā)生蠕變開(kāi)裂。

3 結(jié)論及建議

爆口位于彎頭起彎處的向火面，符合長(zhǎng)時(shí)超溫爆裂特征。爆口處的顯微組織嚴(yán)重老化(球化級(jí)別為5級(jí))，爆口周圍內(nèi)壁、外壁均有較多的縱向蠕變裂紋，且均覆蓋有很厚的氧化層，外壁氧化層最大厚度為530 μm～557 μm。彎頭向火面的開(kāi)裂原因?yàn)橥獗诮Y(jié)焦，導(dǎo)致彎頭局部長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱，過(guò)熱處管子的組織、性能出現(xiàn)嚴(yán)重劣化使得局部發(fā)生蠕變，產(chǎn)生蠕變裂紋，裂紋沿晶擴(kuò)展。

建議加強(qiáng)運(yùn)行管理，跟蹤監(jiān)視受熱面金屬的壁溫，嚴(yán)禁超溫運(yùn)行。加強(qiáng)對(duì)鍋爐燃燒的調(diào)整，減小爐膛煙的溫差，降低煙氣對(duì)受熱面管子的沖刷，防止因火焰偏斜造成管子局部超溫。加強(qiáng)防磨、防爆檢查，必要時(shí)取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)和氧化層檢查，評(píng)估受熱面管子的服役壽命，對(duì)組織劣化嚴(yán)重的管子(球化級(jí)別達(dá)到3級(jí)或3級(jí)以上)，應(yīng)擇機(jī)進(jìn)行更換，確保鍋爐安全穩(wěn)定地運(yùn)行。