加熱爐水冷壁爐管爆裂失效分析*

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(東北石油大學,黑龍江 大慶 163318)

在石油化工和火力發電企業，蒸汽加熱爐常采用水冷壁爐管結構。在加熱爐運行過程中，爐管易產生內壁結垢、內外壁腐蝕、長期高溫蠕變、金相組織損傷及短期超溫超壓等現象，最終導致爐管發生開裂或者爆裂事故[1-3]。

某化工廠蒸汽加熱爐投產使用了20多年，爐管累計運行不到10×104h，蒸汽介質出口溫度為350 ℃，操作壓力為10 MPa，爐管材質為Q245R，規格尺寸為φ60 mm×5 mm。2017年，該加熱爐的一根水冷壁爐管突然發生爆裂，造成裝置緊急停車，經濟損失較大。為了查明爐管爆裂原因，技術人員對失效爐管進行檢測分析，以便采取措施避免類似事故發生。

1 爐管宏觀檢查分析

爐管在迎火側爆裂出一個較大的開口，開裂處的剩余壁厚仍然較厚，表明管體鼓包時塑性變形導致的減薄并不顯著(見圖1)。爐管外壁的氧化層較厚(見圖2)，觀察圖1和圖2爐管迎火側爆裂附近，發現外壁存在一些縱向(軸向)的疑似裂紋，這些裂紋并非氧化層開裂，而是管體中存在的裂紋，由此推斷這些裂紋與爐管爆裂有關。

排查近期加熱爐工況，未發現短期超溫超壓現象，吹掃清理該爐管，也未發現異物堵塞和內壁結垢情況，說明爐管爆裂不是偶發事故，應該是爐管長期運行造成的普遍現象。因此，將爆裂爐管左右相鄰的10根爐管也截取下來，通過檢測爐管的最大外徑和最小壁厚尺寸，發現相鄰爐管在迎火側也存在不同程度的鼓脹現象，見圖3及表1。

圖1 爐管爆裂宏觀形貌

圖2 爆裂區附近管體外壁形貌

圖3 相鄰爐管橫截面輕度鼓脹

編 號最大外徑/mm最小壁厚/mm162.73.8263.53.1362.43.5461.84.1562.43.7661.93.9762.73.5862.33.8962.63.31063.03.7

注：爐管原始外徑φ60 mm，原始壁厚5.0 mm。

2 爆裂爐管內外壁微觀檢測分析

在爆裂爐管附近截取小試件，將試件內外壁清洗干凈，用日立S3400型掃描電鏡觀察分析爐管內外壁的微觀形貌(見圖4和圖5)，用牛津INCA350型能譜儀檢測爐管內外壁的腐蝕產物成分。

由圖4和圖5可以看出，爐管爆口附近內外壁均有裂紋。爐管外壁的裂紋深度略大于內壁，這與外壁氧化腐蝕比內壁嚴重有關。這些裂紋縱向延伸，基本無環向裂紋，這與爐管承受內壓導致的最大應力方向一致。爐管在高溫條件下塑性很好，爆裂時表面氧化層會產生縱橫方向開裂，但是管體母材不會產生較大裂紋。所以，判斷這些裂紋是爆裂之前已經產生的，這是導致爐管爆裂的主要因素。

圖4 爆口附近外壁裂紋形貌 50×

檢測爐管內外壁的腐蝕產物成分，結果見圖6和圖7。爐管內壁的腐蝕產物成分只有Fe和O元素，說明內壁是高溫蒸汽產生的氧化腐蝕。爐管外壁的腐蝕產物成分復雜，不但有Fe和O元素，還含有少量的Ca、Na等元素，說明外壁不但有高溫氧化腐蝕，還有少量煙氣沉積物，然而未發現S元素，由此排除每次停爐時煙氣中的硫化物冷凝產生的應力腐蝕。

圖5 爆口附近內壁裂紋形貌 50×

圖6 管體外壁腐蝕產物成分能譜

圖7 管體內壁腐蝕產物成分能譜

3 爆裂爐管的金相組織檢測分析

在爆裂爐管附近截取小試件，將試件橫截面研磨和拋光，用質量濃度為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，用掃描電鏡觀察分析爐管內外壁氧化層厚度以及金相組織損傷程度,見圖8和圖9。

由圖8和圖9可以看出，爐管內外壁的氧化層均較厚，外壁氧化層最大厚度達到0.4 mm左右，內壁氧化層厚度為0.2～0.3 mm，內外壁氧化層較厚，減小了爐管的承載壁厚，這是導致爐管爆裂的因素之一。

由圖8可以看出，外壁氧化層局部開裂擴展，形成一種前部較鈍的淺裂紋。這種裂紋不是尖銳分叉的應力腐蝕裂紋，而是一種長周期的反復氧化后開裂所形成的類似于腐蝕疲勞裂紋。結合該加熱爐頻繁啟停，由20多年的上百次啟停爐循環周期判斷，加熱爐的多次啟停爐造成了這種氧化層開裂、氧化和緩慢擴展，由此確定氧化疲勞裂紋是造成爐管爆裂的主要因素。

圖8 爐管外壁附近橫截面形貌 70×

圖9 爐管內壁附近橫截面形貌 200×

爐管的金相組織為大部分鐵素體及少部分珠光體(見圖10)，為Q245R正火組織，晶粒度達到7.5級。爐管內外壁附近金相組織未發現嚴重的脫碳現象。由圖10可以看出，爐管的金相組織已經發生了珠光體球化損傷，碳化物由片層狀轉化為顆粒狀，已經開始分散。依據DL/T 674—1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》，爐管的金相組織珠光體球化等級達到3級(輕度球化)。金相組織珠光體球化會導致爐管強度下降，蠕變鼓脹傾向增大，這也是導致爐管爆裂的因素之一。

圖10 爐管高倍金相組織 1 000×

4 結論及措施

通過以上檢測分析以及生產工況排查，排除了加熱爐短期超溫超壓、爐管內壁結垢嚴重、管內異物堵塞及硫化物應力腐蝕這些因素造成爐管爆裂的可能性。根據爐管開裂處壁厚仍然較厚、爆裂附近存在縱向裂紋及加熱爐頻繁啟停這些現象，判斷爐管長期的高溫氧化疊加啟停爐交變載荷產生的氧化疲勞裂紋是造成這次爐管爆裂的主要原因。爐管內外壁氧化層較厚以及金相組織珠光體球化降低了爐管的承載能力，是造成爐管爆裂的次要原因。

爆裂部位相鄰爐管也發現了輕度鼓脹現象，說明該加熱爐爐管均存在爆裂隱患，立即將加熱爐全部爐管進行報廢更換。此外，不僅要考慮加熱爐爐管使用周期10×104h的設計壽命，還要考慮頻繁啟停加熱爐造成的疲勞因素，因此，制定了爐管累計運行5×104h就開始定期監測以及累計8×104h開始更換的使用周期制度。