油輪輔鍋爐過熱器爆管的原因

戴樂陽，李經宏

（1.集美大學輪機工程學院，廈門361021；2.艾歐史密斯

（中國）熱水器有限公司，南京210038）

0 引 言

某油輪輔鍋爐在一次運行中發現鍋爐給水流量異常增大，過熱蒸汽壓力明顯下降，排煙發白。停爐檢查后發現一根對流過熱器管爆裂，該爆管位于對流過熱器的出口段，左數第1片下降屏前數第25號管（最外側管）向火面，靠近耐火材料。該對流過熱器管材料為12Cr1MoV鋼，尺寸為φ47mm×5mm，工作壓力為13.2MPa，使用溫度為535～540℃。該鍋爐自投入使用已累計運行約5×104h。為查找該過熱器爆管的原因，作者對其進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

圖1 爆管的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of busted tube

由圖1可見，爆口沿過熱器管縱向開裂，裂口呈嘴形，縱向最大開口長度為270mm；爆管脹粗不太顯著，爆口中心處管徑由47mm脹粗至57mm；爆口邊緣粗糙，管壁幾乎沒有減薄，呈脆性斷口形貌。在爆口處對爆管內外壁進行觀察，可見除了主爆裂口外，爆口外壁還有其他縱向裂紋和明顯的氧化；另外爆管內壁還存在一層結垢，近爆口處的結垢層上有呈平行分布的縱向裂紋和被沖刷剝落的痕跡，如圖2所示。

1.2 化學成分

采用DV6E型光電直讀光譜儀，按GB／T 4336－2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法（常規法）》對爆裂過熱器管進行化學成分分析，其結果如表1所示。另外，表中還列出了GB／T 5310－2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中規定的12Cr1MoV鋼的化學成分范圍。可見，該過熱器管的化學成分正常。

表1 爆裂過熱器管的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of busted superheater tube（mass）%

1.3 力學性能

在失效過熱器管爆口的向火側、背火側及遠離爆口向火側三個部位沿縱向截取試樣進行拉伸試驗，結果如表2所示。可見，該過熱器管爆口向火側、背火側以及遠離爆口向火側的抗拉強度均遠遠低于GB／T 5310－2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》規定的12Cr1MoV鋼強度的下限（470MPa），這表明該過熱器管經長期使用后抗拉強度明顯下降，但伸長率基本符合要求。

表2 爆裂過熱器管的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of busted superheater tube %

1.4 顯微組織

由圖3（a）可見，距爆口中心500mm處的鋼管基體組織為珠光體鐵素體和碳化物，碳化物顆粒在鐵素體晶界上分布，珠光體已經產生明顯球化；而130mm處的鋼管基體珠光體組織除了嚴重球化外，還可見蠕變孔洞沿晶分布，形成了沿晶蠕變微裂紋，如圖3（b）所示；這種組織老化的情況越靠近爆口中心越為嚴重，如距爆口中心30mm處，珠光體片層形態已基本消失，沿晶蠕變微裂紋互相連接，裂紋中充滿了腐蝕產物，如圖3（c）所示。按照DL／T 773－2001《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》，該過熱器管的珠光體球化率可評定為4～5級。

1.5 外壁裂紋

對爆管外壁裂紋進行仔細觀察，發現除了主爆口外，管外壁還有許多肉眼可見或隱約可見的微小裂紋，裂紋呈現向內壁發展與深入的趨勢。為此，在垂直于爆口處取橫截面，對外壁這些微小裂紋進行觀察，如圖4所示。可見，過熱管外壁的這些縱向裂紋深入管壁內部，多數裂紋的深度已達1.75mm，部分裂紋深度甚至超過2.5mm，即超過了壁厚的一半。這種裂紋不是普通受力導致的迅速穿透的形式，而是鋼材持久強度降低形成的蠕變開裂形式。

1.6 內壁結垢與裂紋

在距爆口中心30mm處，沿爆管橫截面對管內壁層取樣進行組織觀察，可見管內壁結垢層非常明顯，其厚度為0.12～0.25mm；結垢層下的鋼管內壁組織存在脫碳現象，如圖5所示。仔細觀察還可發現，過熱器管內壁的結垢層上存在較多的爆裂裂紋，這些裂紋的尖端擴展至鋼管內壁，在內壁相應位置上也產生了微裂紋，如圖6所示。從圖6還可以發現部分結垢層開裂后已經脫落。

2 分析與討論

鍋爐過熱器爆管屬于高溫失效范疇，國內外材料研究人員普遍認為蠕變損壞是高溫失效的主要原因之一。通常，在蒸汽系統中，由于鍋爐過熱器管屬于薄壁管，其發生爆裂的首要原因是珠光體球化，當球化發展到一定程度才開始出現蠕變孔洞，然后由孔洞互相連接成微裂紋直至破裂；而主蒸汽管屬于厚壁高溫承壓部件，其發生破裂主要是由蠕變損傷積累所致［1］。12Cr1MoV鋼是鍋爐廣泛采用的鋼種，主要用于蒸汽參數不超過540℃的場合；其中的釩是強碳化物元素，碳化釩細小而穩定，對鋼的彌散硬化效果好；但12Cr1MoV鋼在高溫下長期運行的過程中，會發生滲碳體球化及固溶體中合金元素貧化的現象，從而使其熱強性降低［2］。

綜上分析可知，該失效過熱器管的化學成分符合要求，但其顯微組織和抗拉強度有所改變。正常情況下，12Cr1MoV鋼的原始態組織為珠光體，但該過熱器管的組織卻產生了明顯的珠光體球化，并存在較多的沿晶蠕變裂紋（如圖3所示），這表明鍋爐有長期超壓或過熱運行的可能。經查詢輪機員獲悉，該鍋爐有時確實存在超壓運行的情況，主要是因為有些港口駁油任務比較緊張，經常催促船員快速作業。另外，爆管外壁有明顯的氧化，內壁有較嚴重的結垢，這些均會加劇管壁溫度超高，使得失效管長期超溫，最終發生組織老化甚至局部脫碳，使其持久強度下降。另外，由于油輪鍋爐水的含油幾率較大，因此其過熱器管內壁垢層容易在局部堆聚，并且剝落的垢層也容易互相粘結積聚，導致鋼管局部流通面積變小甚至堵塞，這可能是該失效管爆口位局部過熱更為直接的原因。

另一方面，由于爆管內壁脆性垢層的熱膨脹系數不同于管壁基體金屬的，因而在交變熱應力作用下易于開裂，繼而被蒸汽沖刷剝離。當垢層裂開后，管內熱水通過垢層裂縫突然接觸到高溫管壁驟然汽化，產生了局部膨脹壓力。這種交變的膨脹壓力導致管壁基體材料發生破壞，在基體強度已然下降的爆口位外壁誘發縱向裂紋，并逐漸向內壁擴展。而結垢層剝離處的鋼管內壁容易受到蒸汽腐蝕誘發應力集中，繼而在垢層爆裂處的內管壁也逐漸萌生出許多縱向微裂紋。在鋼管外壁和內壁縱向裂紋的長期共同作用下，管壁有效厚度減小，當減小到一定程度后，該過熱器管就會發生長時超溫爆管事故。

3 結論與建議

該油輪輔鍋爐過熱器管由于長期超溫運行，致使鋼管基體組織珠光體球化，并產生蠕變損傷，鋼管持久強度下降，同時管內的結垢加劇了鋼管的過熱，最終導致爆管。

在油輪輔鍋爐的運行管理中，應該嚴格要求輪機員按照升壓曲線進行啟動升壓，嚴禁趕火升壓等不正常工況的出現；其次，要堅持定期化驗水質、投放爐水處理劑以減少結垢，還要特別加強凝水觀察柜的觀察，防止貨油滲漏經回水管流到熱水井，污染鍋爐水并加重結垢，進而降低水管的傳熱效率，造成長期超溫。

［1］周順深.爐管珠光體球化與破裂壽命的關系［J］.華東電力，1995（5）：7－11.

［2］楊瑞成，王暉，鄭麗平，等.12Cr1MoV鋼高溫時效過程中組織結構的演變［J］.金屬熱處理，2002，27（9）：18－22.