電站鍋爐低溫過熱器管爆管失效分析

張輝 趙光輝 李文軍 魏盛斌（中石油烏魯木齊石化設(shè)備檢驗(yàn)檢測院 新疆 烏魯木齊 830019）

一、概述

某電廠鍋爐車間電站鍋爐2#爐低溫過熱器23排迎火面第1根管束發(fā)生爆管事故。該過熱器管束材質(zhì)為20 G無縫鋼管，管子規(guī)格為φ 38×4.5 mm。內(nèi)部介質(zhì)為過熱蒸汽，溫度380℃，壓力9.5 Mpa。2#爐內(nèi)熱煙氣的溫度大約700℃。該過熱器管束從投入使用到最近爆裂共運(yùn)行約13萬小時(shí)，在運(yùn)行期間無檢修和割管記錄，發(fā)生爆管的部位在頂棚管下方約400 mm處。

二、檢測分析

1.宏觀檢測

爆口管束周邊環(huán)境及局部宏觀形貌如圖1和圖2所示，爆裂處最大長度為72 mm，最大寬度為11 mm，其位于低溫過熱器管的迎火面一側(cè)，管子斷口處沒有發(fā)現(xiàn)明顯的脹粗和變形，爆口外觀呈厚唇“魚嘴狀”形貌。爆口長約71 mm，最寬處有11 mm，管壁測厚數(shù)據(jù)最小3.1 mm。圖3和圖4是該低溫過熱器爆口處內(nèi)外表面的形貌，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)爆口處內(nèi)外表面均存在相互平行的縱向裂紋，爆口兩個尾端均有明顯的二次裂紋，爆口表面較粗糙，外觀像樹皮狀紋路。從管壁減薄情況及爆口形態(tài)等特征可判斷，該爆口為厚唇式爆口[1]。

圖1 爆管管束爆口外觀形貌

圖2 爆管管束爆口外觀形貌

圖3 爆口處內(nèi)表面形貌

圖4 爆口外表面形貌

2.化學(xué)成分分析

爆管的管束上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)結(jié)果顯示化學(xué)元素含量與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)[2]定的20 G的含量相符。化學(xué)元素分析結(jié)果如下表所示。

?

3.金相分析

對爆管管束爆口處和爆口的背火面橫向各取一個樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，試驗(yàn)的具體結(jié)果：爆口內(nèi)邊緣的金相組織為鐵素體和碳化物顆粒，珠光體5級球化，裂紋主要為沿晶分布，局部穿晶（見圖5）；爆口外邊緣的金相組織為鐵素體和碳化物顆粒，珠光體5級球化，裂紋主要為沿晶分布，局部穿晶（見圖6）。爆口對過背火面取樣處的金相組織為鐵素體和碳化物顆粒，珠光體5級球化（見圖7）。上述結(jié)果表明，該低溫過熱器爆口處迎火面和背火面的金相組織均已不正常，且爆口迎火面金相組織已出現(xiàn)沿晶界分布的空穴或孔洞及顯微裂紋[3][4]。

圖5 爆口內(nèi)邊緣處金相組織（200×）

圖6 爆口外邊緣處金相組織（200×）

4.掃描電鏡分析

對低溫過熱器爆管管束的爆口處取樣，利用掃描電鏡對其表面進(jìn)行微觀形貌觀察和分析，斷口比較平整，整個斷口變形較小。顯微形貌呈現(xiàn)沿晶斷裂特征，且有明顯的孔洞和二次裂紋[5]，結(jié)果見圖8。

圖7 爆口處背火面金相組織（200×）

圖8 低溫過熱器管爆口表面的形貌（1200×）

三、失效原因分析與討論

1.長期過熱蠕變斷裂失效

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6][7]及案例，長期過熱導(dǎo)致蠕變破壞的斷口擴(kuò)展路徑的調(diào)查表明，長期過熱引起的爆管一般是從外壁起裂，逐漸向內(nèi)壁擴(kuò)展，最終導(dǎo)致爆管。這是由于迎火面的溫度高，過熱管的外表面因蠕變強(qiáng)度較低而先萌生蠕變裂紋。由于過熱管的內(nèi)壓引起的應(yīng)力沿軸向和周向基本是均勻分布的，盡管迎火面和背火面存在一定的溫差導(dǎo)致迎火面受到一定的壓力，但由于溫度高，蠕變破壞還是往往從迎火面的外表面開始。另外，長期過熱導(dǎo)致的蠕變斷口，往往與管壁垂直，斷口表面粗糙，斷口呈沿晶開裂，裂尖較鈍，并伴隨大量蠕變空洞，蠕變斷裂屬于延性斷裂。

2.短期過熱蠕變斷裂失效

短期過熱是指當(dāng)管壁溫度超過材料的下臨界溫度時(shí)，材料強(qiáng)度明顯下降，在內(nèi)壓作用下，最終發(fā)生脹粗和爆管失效[8]。導(dǎo)致該失效的原因一般有幾點(diǎn)：管內(nèi)工作介質(zhì)的流量分配不均勻，在流量小的管子內(nèi)介質(zhì)對管壁的冷卻能力較差，使管壁溫度升高，造成管壁超溫；爐內(nèi)局部熱負(fù)荷過高，造成附近管壁溫度超標(biāo)；管子內(nèi)部嚴(yán)重結(jié)垢；異物堵塞管子，使管子等不到有效冷卻等。這種失效一般爆口塑性變形大，管子有明顯脹粗，管壁減薄呈刀刃狀，爆口較大，呈喇叭狀，是典型的薄唇式爆破。

3.熱疲勞斷裂失效

熱疲勞是指爐管因爐子啟停引起的熱應(yīng)力、氣膜的反復(fù)出現(xiàn)和

勞損消壞失。引查起閱的有熱關(guān)應(yīng)文力獻(xiàn)和[由9][10振]，關(guān)動于引熱起疲的勞交裂變紋應(yīng)，力對作于用有而表發(fā)面生應(yīng)的力疲

集中的零件，其產(chǎn)生于應(yīng)變集中處。而對于光滑表面零件，熱疲勞裂紋易產(chǎn)生于溫度高、溫差大的部位。在這些部位首先產(chǎn)生多條微裂紋，熱疲勞裂紋發(fā)展極不規(guī)則，呈跳躍式，忽寬忽窄，有時(shí)還會產(chǎn)生分支和二次裂紋，裂紋多為沿晶開裂。熱疲勞導(dǎo)致的斷裂為脆性斷裂，在斷裂部位附近有不明顯或少量的塑性變形，對于管子、管道等部件，管壁溫度循環(huán)變化引起材料的膨脹或收縮變形受到約束，產(chǎn)生交變應(yīng)力導(dǎo)致管材熱疲勞，屬于低周疲勞。疲勞裂紋沿表面垂直受熱方向擴(kuò)展，并向表面內(nèi)縱深方向發(fā)展，網(wǎng)狀龜裂是熱疲勞的特征之一。在開裂處并不發(fā)生管子脹粗及有明顯的管壁減薄行為，管子內(nèi)外壁通常都覆蓋較厚的氧化層。

4.本次爆管原因的確定

綜合對本文中關(guān)于低溫過熱器爆口的宏觀形貌、化學(xué)成分、金相組織、斷口微觀形貌進(jìn)行分析，確定導(dǎo)致爆口產(chǎn)生的起因是長期局部過熱產(chǎn)生的蠕變裂紋，而管束內(nèi)部的介質(zhì)壓力、內(nèi)外壁的溫差應(yīng)力加之材質(zhì)在長期高溫條件導(dǎo)致材質(zhì)劣化促進(jìn)裂紋不斷發(fā)展，當(dāng)裂紋發(fā)展到一定臨近尺寸在管束內(nèi)部壓力的作用下最終發(fā)生爆管。

5.分析與討論

在本文中，經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)的分析最終確認(rèn)導(dǎo)致低溫過熱器爆管發(fā)生的可能原因是長期過熱蠕變斷裂、短期過熱蠕變斷裂和熱疲勞斷裂。前文對爆管管束裂紋和爆口斷口進(jìn)行宏觀和微觀分析中提到，裂紋主要是沿晶斷裂，爆口斷面上可見蠕變空洞和裂紋，斷口宏觀比較粗糙，這些特征都與過熱蠕變裂紋的特征相符。對其缺陷進(jìn)行進(jìn)一步分析，本文討論的爆口內(nèi)外壁均存在縱向裂紋，且爆口附近外壁存在很厚的氧化皮，斷裂部位壁厚減薄不明顯，管子發(fā)生少量的塑性變形，這些特征說明該爆管管束發(fā)生爆管的原因是管束長期局部過熱產(chǎn)生蠕變裂紋后，管束受到內(nèi)部的介質(zhì)壓力、內(nèi)外壁的溫差應(yīng)力加之材質(zhì)在長期高溫條件發(fā)生材質(zhì)劣化促使裂紋不斷發(fā)展，最終超過臨近尺寸并在管束內(nèi)部壓力作用下發(fā)生爆管。

需要注意的是，對曝管管束及其周圍其它幾根管束進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，僅有該管束爆管處存在嚴(yán)重的氧化皮，周圍其它管束外壁都比較光滑。這一現(xiàn)象說明該低溫過熱器發(fā)生爆管事故僅是個例，發(fā)生爆管的這根管束在運(yùn)行過程中可能存在內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生偏流、管子內(nèi)部結(jié)垢、異物堵塞管束造成管束流通不暢以及在運(yùn)行過程中該部位爐內(nèi)熱負(fù)荷偏高等。

結(jié)論及建議

本文對某石化公司熱電廠鍋爐車間低溫過熱器的爆管管束進(jìn)行分多角度分析，確定導(dǎo)致管束爆管產(chǎn)生的起因是該管束局部長期過熱產(chǎn)生蠕變裂紋后不斷發(fā)展并超過臨界尺寸，受到內(nèi)部介質(zhì)壓力、內(nèi)外壁的溫差應(yīng)力和材質(zhì)劣化等因素影響最終發(fā)生爆管。造成局部長期過熱的原因主要有爐膛內(nèi)溫度分布不均勻、管內(nèi)介質(zhì)存在偏流等，管束內(nèi)外壁的氧化層和局部結(jié)垢使得超溫現(xiàn)象不斷加劇。為了避免爆管事故的再次，本文提出如下建議：

1.通過對燃燒火嘴進(jìn)行調(diào)整改善煙氣溫度場，使其趨于均勻，進(jìn)而減少管束局部過熱的傾向；

2.增加爐內(nèi)熱電偶，加強(qiáng)爐內(nèi)溫度監(jiān)控，做到及時(shí)調(diào)節(jié)；

3.對管束考慮采取定期紅外熱像監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管束局部過熱區(qū)域；

4.加強(qiáng)對管束的定期宏觀檢查、檢驗(yàn)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在表面氧化及壁厚減薄等缺陷的管束并采取有效措施。

[1]吳連生.疲勞斷裂失效顯微形貌分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，1996.

[2]李金桂等.腐蝕和腐蝕控制手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[3]高文民.金相檢驗(yàn)基本知識[M].中國鐵道出版社出版，1989.

[4]彭國達(dá).鍋爐屏式再熱器TP304H管裂紋分析[J].華中電力，2009.

[5]陳忠兵等.鍋爐減溫器噴水管失效原因分析[J].熱力發(fā)電，2013.

[6吳連生，計(jì)連寶等.管式加熱爐爐管爆裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，1998.

[7]黎小秋等.300MW電站鍋爐后屏過熱器爆管原因分析和對策[J].壓力容器，2012.

[8]蔣明星等.某鍋爐減溫器水管失效原因分析及預(yù)防對策[J].壓力容器，2010.

[9]符長璞等.20Cr11MoVNbNB鋼蠕變孔洞及蠕變裂紋的研究[J].金屬學(xué)報(bào)，1997.

[10]陳菁等.高合金耐熱鋼熱疲勞-蠕變裂紋的研究[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997.