鍋爐碳鋼蒸汽管斷裂失效原因分析

陳華豪，莫才頌，陳奕均

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

1 管線斷裂故障

某石化企業(yè)的高壓蒸汽爐出口主蒸汽管突然發(fā)生了爆裂，現(xiàn)場看到該管段在流量計(jì)前后約6m的一段管斷裂。

從裂口及飛行方向判斷，管線是從下部焊縫首先斷開，因鍋爐內(nèi)仍有2.5MPa壓力，高壓蒸汽從下部斷口噴出，蒸汽產(chǎn)生巨大的反沖力使管線扭轉(zhuǎn)，在極大的扭力作用下管線被快速扭斷。

查閱該鍋爐各項(xiàng)參數(shù)和歷史趨勢圖，停爐后的鍋爐蒸汽溫度、壓力下降速度較平穩(wěn)，鍋爐出口二次閥前疏水閥打開且暢通，疏水正常進(jìn)行，汽包水位正常，未發(fā)現(xiàn)汽包滿水而造成有水進(jìn)入過熱器管的跡象。

2 斷口形態(tài)

斷裂管段的下部裂口離焊口約3mm，斷口平齊與管軸垂直，斷面金屬表面被一層黑色垢物覆蓋。磨開后金屬光亮，圓周外表有人字形張開裂口，屬典型的脆性斷裂現(xiàn)象。上部裂口離焊口約3mm，斷面金屬為原金屬色，斷口波浪狀，是扭斷所致。斷口外觀如圖1、圖2所示。

圖1 蒸汽管斷管1#斷口外觀圖

圖2 蒸汽管斷管2#斷口外觀圖

3 蒸汽管爆裂失效原因分析

3.1 蒸汽管技術(shù)參數(shù)

主蒸汽管和鍋爐已投用10年。鍋爐出口主蒸汽管為20g鍋爐鋼管，規(guī)格為φ219×9.5mm,主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 主蒸汽管技術(shù)參數(shù)

3.2 理化檢驗(yàn)

a) 壁厚檢測

對斷口邊沿進(jìn)行厚度檢測，數(shù)據(jù)見表2。

表2 斷管斷口測厚數(shù)據(jù)表 (單位：mm)

b) 硬度檢測

對斷管不同部位進(jìn)行硬度檢測，數(shù)據(jù)見表3。

表3 斷管硬度檢測數(shù)據(jù)表 (單位：HB)

c) 金相組織分析

對斷管兩端取樣進(jìn)行材料組織分析，見圖3-圖7。從金相圖上可以看出，母材組織為鐵素體+珠光體，其中斷口面珠光體有雙晶界現(xiàn)象，碳化物呈絮團(tuán)狀，珠光體嚴(yán)重球化，并沿鐵素體晶界和晶內(nèi)析出，熱影響區(qū)的母材也出現(xiàn)比較明顯的珠光體球化現(xiàn)象，焊縫組織基本正常[1]。

圖3 鍋爐蒸汽出口管斷管1#斷口平面金相圖 400×

圖4 鍋爐蒸汽出口管斷管1#斷口焊縫100×

圖5 鍋爐蒸汽出口管斷管1#斷口熱影響區(qū)400×

圖6 鍋爐蒸汽出口管斷管1#斷口近縫母材400×

圖7 鍋爐蒸汽出口管斷管2#斷口遠(yuǎn)縫母材400×

d) 射線探傷檢測

事故前曾經(jīng)對斷口旁邊的焊縫進(jìn)行一次射線探傷，無發(fā)現(xiàn)大的缺陷，安全評級為I級。

e) 材質(zhì)成分分析

對斷管進(jìn)行取樣材質(zhì)分析，見表4。對照材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，碳含量偏高。

表4 斷管材質(zhì)成分分析表

3.3 強(qiáng)度校核

核算主蒸汽管測厚平均厚度為8.95mm，最小值為7.70mm，停工時(shí)實(shí)際壓力為2.5MPa，管壁承受的拉應(yīng)力為σ=38.89MPa，查450℃操作條件下，20g碳鋼的許用應(yīng)力為61MPa，顯然σ<[σ]，理論上不會(huì)發(fā)生彈性斷裂。

3.4 高溫力學(xué)性能

碳鋼在350℃～400℃以上就會(huì)產(chǎn)生蠕變，溫度越高，蠕變就越加劇。實(shí)際操作溫度450℃，蒸汽管將會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。從材料的金相組織分析看，焊縫熱影響區(qū)和斷口部位(靠近焊縫)組織老化比較嚴(yán)重，珠光體球化明顯，強(qiáng)度相應(yīng)降低。從鋼材成分分析，鋼材碳含量超標(biāo)也會(huì)加重珠光體球化趨勢[2-3]。

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，管壁厚度減少，材料承受的應(yīng)力相應(yīng)增大。由于管線使用時(shí)間比較長，管內(nèi)壁受高速氣流的沖刷和高溫蠕變產(chǎn)生塑性變形，管壁減薄量較多。尤其斷管焊縫部位有一個(gè)焊接墊圈，墊圈后部形成一個(gè)臺(tái)階，蒸汽在運(yùn)行中容易在臺(tái)階后部形成渦流，加速?zèng)_刷減薄，該部位也由原來設(shè)計(jì)的10mm，減薄至最小7.7mm，管壁的抗拉應(yīng)力也較其他部位大幅增大，同時(shí)從硬度分布看，焊縫硬度比母材高1/2，斷口處硬度比母材高1/3，熱影響區(qū)局部應(yīng)力大，造成該部位首先斷裂。

4 改進(jìn)措施

1) 材質(zhì)升級

20#碳鋼管使用溫度為-20℃～425℃，20g碳鋼管使用溫度為-20℃～450℃。而操作最高溫度為450℃，選用20#或20g碳鋼明顯不合適，更換為12CrMo1V等材料[5]。

2) 對鍋爐主蒸汽管進(jìn)行全面的檢測檢驗(yàn)，對強(qiáng)度進(jìn)行核算，對設(shè)備老化進(jìn)行評定。

3) 操作應(yīng)平穩(wěn)，避免操作壓力大幅波動(dòng)。

減少頻繁開停機(jī)，可以減少操作的波動(dòng)和交變應(yīng)力，延長使用壽命和避免事故。

5 結(jié)論與建議

1) 該蒸汽管線長期在高溫運(yùn)行，且高溫運(yùn)行時(shí)間較長，材料產(chǎn)生高溫蠕變現(xiàn)象，尤其焊縫熱影響區(qū)組織老化嚴(yán)重，持久強(qiáng)度明顯降低，當(dāng)管件持久強(qiáng)度極限低于所受拉應(yīng)力時(shí)，即造成突然脆性斷裂。所以，碳鋼蒸汽管受承超長時(shí)間的高溫蠕變是造成斷裂的主要原因。

2) 管線使用時(shí)間比較長，管內(nèi)壁受高速氣流的沖刷減薄，焊縫熱影響區(qū)應(yīng)力較大是造成該部位首先斷裂的重要原因。

3) 超溫運(yùn)行將對管道安全產(chǎn)生隱患，實(shí)際生產(chǎn)操作中要采取有效措施控制溫度，保證給水流量、水質(zhì)，加強(qiáng)運(yùn)行管理，嚴(yán)防超溫現(xiàn)象。

[1] 楊德杰. 12Cr1MoV鋼非正常組織高溫性能的研究[J]. 黑龍江電力，2010(3),202-203.

[2] 王榮，李晉，楊力. 蒸汽管爆裂原因分析[J]. 理化檢驗(yàn)一物理分冊,2008,44(2),90-93.

[3] 成偉，胡足. 蒸汽答線熱損失的測試及分析[J]. 甘肅科技，2010,26(10),63-64.

[4] 陳國華，陳靈杰. 火電廠12Cr1 MoV蒸汽管爆管原因分析[J]. 理化檢驗(yàn)一物理分冊,2012,48(7)：90-93.

[5] 李玉軍，蔣仕良. 硫磺回收裝置余熱鍋爐過熱器彎頭開裂原因初步分析[J]. 壓力容器, 2012, 28(9):52-55.