高溫過(guò)熱器蛇形管開(kāi)裂分析與探討

趙保強(qiáng)

（嘉峪關(guān)市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量和特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)中心，甘肅 嘉峪關(guān)735100）

12Cr1MoVG因其有較好的耐高溫、良好的工藝性能，使用溫度可達(dá)580℃左右，因此被廣泛應(yīng)用于鍋爐中的鋼結(jié)構(gòu)件，如過(guò)熱器、再熱器、高壓管道等[1]。某廠動(dòng)力車間鍋爐高溫過(guò)熱器在工作中多次發(fā)生設(shè)備故障，經(jīng)企業(yè)技術(shù)人員研究分析后，認(rèn)為鍋爐高溫過(guò)熱器長(zhǎng)期疲勞工作是事故的直接原因，并對(duì)過(guò)熱器的所有爐管進(jìn)行了徹底的更換，但是在使用不到半年的時(shí)間，高溫過(guò)熱器蛇形管彎管部位又出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂，影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)，現(xiàn)將相關(guān)參數(shù)列表如下（技術(shù)條件見(jiàn)表1）。

表1 高溫過(guò)熱器工作條件

為此，受使用單位委托，通過(guò)對(duì)開(kāi)裂管段的取樣分析，提出了幾點(diǎn)建議及對(duì)策。

1 宏觀檢查

裂紋大致分布在彎管外側(cè)，沿軸向方位逐漸開(kāi)裂，管段外表面存在厚約0.5 mm的氧化皮和部分蝕坑；管段內(nèi)表面被黑色腐蝕物所覆蓋，裂口大小約50 mm×7 mm（長(zhǎng)×寬)，且在內(nèi)壁附近發(fā)現(xiàn)有大量軸向裂紋，形狀成直線依次平行排列；開(kāi)裂部位有明顯鼓脹的現(xiàn)象，凸出表面約5 mm，在裂口處管壁減薄，表面失去光澤（見(jiàn)圖1）。

圖1 裂口形貌

經(jīng)檢驗(yàn)，彎管背部也有減薄的現(xiàn)象，減薄狀況如下圖所示（見(jiàn)圖2）。

圖2 彎管背部減薄狀況（斷面）

2 理化分析

2.1 壁厚測(cè)定

通過(guò)卡尺及超聲波壁厚測(cè)定，與蛇形管的標(biāo)稱尺寸Φ38×4.5 mm相比較，發(fā)現(xiàn)該管在彎管部位管壁減薄十分明顯，經(jīng)測(cè)量，斷面處最小壁厚為3.0 mm.彎管背部最小壁厚為3.21 mm（見(jiàn)表2）。

表2 管壁厚度超聲波測(cè)定表

實(shí)測(cè)壁厚數(shù)據(jù)表明：開(kāi)裂后的高溫蛇形管在其彎管部位出現(xiàn)了明顯的壁厚減薄現(xiàn)象。

2.2 硬度檢測(cè)

對(duì)直管段和彎管部位的硬度分別進(jìn)行了測(cè)定和分析對(duì)比，其硬度值基本在HB115～168之間，符合高溫設(shè)備運(yùn)行工況要求和相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 材料成分光譜分析

對(duì)蛇形管外表面進(jìn)行了光譜分析，其結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 光譜分析數(shù)據(jù)

分析結(jié)果表明：開(kāi)裂管段材料成分符合標(biāo)稱材質(zhì)（12Cr1MoVG）元素含量標(biāo)準(zhǔn)值（GB5310-2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》）。

2.4 金相分析

對(duì)2#樣品取樣、磨制、拋光，進(jìn)行金相分析（見(jiàn)圖 3、圖 4）。

圖3 金相分析部位

圖42 #樣品金相分析照片

分析結(jié)果表明：金相顯微鏡從2#樣品徑向截面觀察到以下情況，在晶內(nèi)及晶界處彌散有大量碳化物，并在這些地方聚集擴(kuò)大，且在珠光體球化和石墨化的共同作用下出現(xiàn)了許多黑色孔洞；主裂紋由管外向內(nèi)逐漸擴(kuò)展延伸，呈梯狀分布；碳化物聚集凸出現(xiàn)象更加明顯。

3 結(jié)論與分析

3.1 結(jié)論

通過(guò)以上各方面的分析，高溫過(guò)熱器蛇形管主要是在局部長(zhǎng)期超溫的條件下未能采取有效的溫度控制措施，使工作于高溫環(huán)境下的金屬材料發(fā)生了珠光體球化和石墨化，使得材料在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法承受這些負(fù)荷的急劇變化，因此發(fā)生了開(kāi)裂的現(xiàn)象。

3.2 原因分析

按照設(shè)計(jì)和技術(shù)要求，管路的規(guī)格應(yīng)為Φ38×4.5 mm，直管段符合要求，而彎管段在彎曲成型后彎管部位壁厚減薄，未能達(dá)到要求；在安裝過(guò)程中難以避免的會(huì)導(dǎo)致彎管部位由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力，對(duì)彎管部位的開(kāi)裂起到了一定的促進(jìn)作用；管道安裝工藝不良，管道對(duì)口處錯(cuò)口，在長(zhǎng)時(shí)間工作后焊口減薄從而引起爆裂，影響到整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，由于管內(nèi)外存在溫度梯差；彎管位于向火面，且長(zhǎng)期在高溫的環(huán)境中工作，管外氧化皮和管內(nèi)污垢不利于熱量的擴(kuò)散，使局部溫度迅速升高，引起彎管部位金屬失效。最終在高溫高壓水蒸氣和鋼管自身殘余應(yīng)力的共同作用下，蛇形管逐漸發(fā)生了腐蝕開(kāi)裂。

4 建議對(duì)策

4.1 滿足設(shè)計(jì)要求，精確控制溫度

因鋼管在彎管成型后彎管部位減薄，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，建議鋼管規(guī)格采用Φ38×4.5 mm，以保證強(qiáng)度要求。蒸汽溫度采用主控-串級(jí)控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以滿足于不同的工作環(huán)境，而且蒸汽的溫度可以在允許的范圍內(nèi)變化，從而避免因材料局部長(zhǎng)時(shí)間超溫運(yùn)行而導(dǎo)致管壁金屬蠕變失效發(fā)生開(kāi)裂[2]。

4.2 加強(qiáng)管理，強(qiáng)化綜合治理與應(yīng)用

為了進(jìn)一步防止管壁溫度升高造成超溫爆管，要加強(qiáng)企業(yè)管理的科學(xué)化水平，特別要強(qiáng)化生產(chǎn)和工藝的監(jiān)督管理，健全設(shè)備管理體系，定期分析化驗(yàn)水質(zhì)，了解水質(zhì)變化情況，及時(shí)采取相關(guān)措施，確保設(shè)備安全高效運(yùn)行。鑒于多次發(fā)生爆管的情況，檢驗(yàn)分析結(jié)束后，業(yè)主積極采納了提出的建議，并對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行了培訓(xùn)，建立健全了生產(chǎn)管理體系，使問(wèn)題得以全面解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]許小平，周飛霓.12Cr1MoVG過(guò)熱器管開(kāi)裂行為分析與控制[J].材料保護(hù)，2008，41（11）：46-48.

[2]郭贊揚(yáng)，徐 峰.高壓鍋爐12Cr1MoVG熱處理工藝的改進(jìn)[J].江西冶金，2005，25（2）：25-25.