蒸汽鍋爐水冷壁爐管爆裂失效分析

劉紹華

（大慶石化公司設備維修中心，黑龍江大慶 163714）

0 引言

在火力發(fā)電廠等企業(yè)中，水冷壁爐管是蒸汽鍋爐的主體部分。在長期高溫條件下，水冷壁爐管容易產(chǎn)生珠光體球化、高溫蠕變等損傷，進而造成爐管發(fā)生爆裂事故[1～8]。2019 年2 月，某石化公司熱電廠鍋爐車間，一臺蒸汽鍋爐在檢修結束后，剛開始啟爐生產(chǎn)就由于MFT 保護動作引起停爐。鍋爐檢查發(fā)現(xiàn)，前墻水冷壁爐管從甲側往乙側數(shù)第3 個聯(lián)箱的第62 根爐管發(fā)生了爆裂。該蒸汽鍋爐于1987 年10 月投入使用，累計運行27.6 萬小時。爐管尺寸規(guī)格Ф60×5 mm，爐管材料為Q245R，管內(nèi)溫度為320 ℃，工作壓力為11 MPa。為查明這起爐管爆裂事故原因，針對62#爆裂爐管以及相鄰爐管進行了檢測分析，以確定其失效機理，進而采取相應的技術措施消除安全隱患。

1 爐管爆裂形態(tài)檢查分析

由爆裂爐管宏觀形態(tài)可以看出，爐管爆裂位于爐管迎火面一側，爆裂沿著爐管縱向開裂，爆裂處的張開裂口較大（圖1）。爐管爆裂處的內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)異常，無較厚的水垢沉積，內(nèi)壁氧化層也較薄，由此排除結垢過厚造成爐管超溫的情況。

圖1 爆裂爐管及相鄰爐管宏觀形態(tài)

雖然爆裂爐管的其他部位未發(fā)現(xiàn)明顯鼓包現(xiàn)象，但是爐管遠離爆裂處的管體橫截面均有一定程度鼓脹和蠕變減薄現(xiàn)象。測量爐管遠離爆裂處的鼓脹外徑為63 mm、最小壁厚為4.1 mm，蠕變減薄情況不太嚴重。這說明爐管爆裂可能不是長期高溫蠕變形成的，推斷是由于短期超溫產(chǎn)生的。

爆裂爐管的外壁氧化層較厚且氧化層由于高溫蠕變發(fā)生了明顯的縱向開裂，而相鄰爐管的外壁雖然也有氧化層但是氧化層未發(fā)生開裂，說明相鄰爐管未發(fā)生蠕變。由圖2 可知，與爆裂爐管相鄰的爐管外壁和壁厚均未發(fā)現(xiàn)外徑增大和壁厚減薄等異常現(xiàn)象，說明相鄰爐管未發(fā)生超溫蠕變現(xiàn)象。

圖2 爆裂爐管和相鄰爐管的截面形貌

2 爆裂爐管斷口微觀檢測分析

在爆裂爐管上截取斷口試樣，由試樣宏觀形貌可以看出，爆裂爐管的橫截面壁厚顯示，爐管迎火面管體大部分區(qū)域減薄較小，只有在斷口附近急劇減薄且斷口處剩余壁厚依然較大，這說明爆裂爐管的蠕變周期不長，為短期超溫現(xiàn)象（圖3）。

圖3 爆裂爐管試樣的截面宏觀形貌

將斷口試樣用掃描電鏡分析斷口表面微觀形貌，爆裂爐管的斷口寬度較小，斷口微觀形貌特征為塑性韌窩，無脆性解理和沿晶形態(tài)，說明爐管材料塑性很好，斷口附近也未發(fā)現(xiàn)管體軋制常出現(xiàn)的折疊缺陷痕跡，證明爐管材料不存在問題，不是材料缺陷造成爐管爆裂（圖4）。

圖4 爆裂爐管斷口的微觀形貌（300 倍）

3 爆裂及相鄰爐管金相組織檢測分析

在爆裂爐管的不同部位截取試樣，在相鄰爐管上也截取試樣，經(jīng)過金相砂紙研磨和金剛石拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，制備成金相試樣，利用金相顯微鏡對試樣的金相組織進行微觀分析。

水冷壁爐管的材料為Q245R 低碳鋼，軋制后進行正火熱處理或者軋制后正火態(tài)供貨，其金相組織為“較少珠光體+較多鐵素體”，其中珠光體為灰黑色晶粒形態(tài)。由圖5 和圖6 可以看出，爐管爆裂部位的金相組織完全不是“珠光體+鐵素體”，爆口處的金相組織基本為低碳馬氏體，爆口附近的金相組織主要為“貝氏體（屬于羽毛狀貝氏體類型）+少量低碳馬氏體”。馬氏體和貝氏體都是金屬加熱達到奧氏體化組織后經(jīng)過淬火急冷條件下得到的，其中貝氏體冷卻速度略低于馬氏體，屬于等溫淬火。

圖5 爆口處的金相組織（500 倍）

圖6 爆口附近的金相組織（500 倍）

由圖7 可以看出，爐管爆口處對應的背火側金相組織為正常的“較少珠光體+較多鐵素體”組織，晶粒度達到7 級，金相組織中珠光體球化損傷不明顯。這證明爐管材料為正火組織，而爐管Q245R 材料不可能進行淬火熱處理，原始材料不存在馬氏體和貝氏體，因此判斷爆口處的馬氏體和貝氏體是本次超溫爆裂產(chǎn)生的。同時也說明：①爐管超溫過熱屬于短期發(fā)生，不是長期積累造成的；②爐管超溫過熱判斷是本次開爐生產(chǎn)發(fā)生的；③爐管超溫過熱程度很高，至少達到金屬奧氏體化溫度，否則不會發(fā)生馬氏體和貝氏體相變。

圖7 爆口處對應的背火側金相組織（500 倍）

由圖8 可以看出，爐管遠離爆裂部位的向火側金相組織也不是“珠光體+鐵素體”，而是“大部分貝氏體+少量低碳馬氏體”。這說明該段爐管經(jīng)歷了超溫過熱后的爆裂進水急冷過程，只是由于遠離爆裂部位的爐管壁厚減薄程度較小、急冷速度略低，所以金相組織大部分相變成貝氏體。

圖8 遠離爆裂處的向火側金相組織（100 倍）

由圖9 可以看出，相鄰爐管的向火側金相組織基本正常，微觀組織顯示出較少珠光體+較多鐵素體，珠光體球化損傷不明顯，未發(fā)現(xiàn)表面嚴重脫碳、粗大夾雜物等組織缺陷，這說明相鄰爐管的金相組織未發(fā)生明顯相變、基本無超溫過熱現(xiàn)象。

圖9 相鄰爐管的向火側金相組織（100 倍）

4 爐管爆裂失效分析與技術措施

（1）通過分析發(fā)現(xiàn)，蒸汽鍋爐62#水冷壁爐管遠離爆裂部位存在外徑增大和壁厚減薄現(xiàn)象，相鄰爐管未發(fā)現(xiàn)外徑增大和壁厚減薄；爆裂爐管背火側以及相鄰爐管向火側金相組織正常，而爆裂爐管向火側為異常組織相變的低碳馬氏體和貝氏體；蒸汽鍋爐本次開爐生產(chǎn)就發(fā)生爆管。根據(jù)這些判斷爐管爆裂原因為，本次開爐生產(chǎn)爐管發(fā)生短期嚴重超溫過熱，產(chǎn)生局部快速蠕變鼓包，最終導致爐管爆裂。

（2）蒸汽鍋爐只有62#水冷壁爐管嚴重超溫而相鄰爐管無超溫現(xiàn)象，推測4#鍋爐在上次停工檢修期間有異物堵塞落入62#爐管，從而導致水汽流動不暢、產(chǎn)生短期嚴重超溫情況。在爐管爆裂后，大量蒸汽噴射排空時將異物吹出，因而未能在爐管內(nèi)發(fā)現(xiàn)異物。因此，在蒸汽鍋爐本次停工期間，依次打開鍋爐下部聯(lián)箱，對水冷壁爐管進行高壓吹掃，發(fā)現(xiàn)了較多焊渣、螺栓、小掛架片等各類異物，消除了鍋爐水冷壁爐管的超溫隱患。