廢能鍋爐高溫過熱器爐管爆裂失效分析

白海濤

(萬華化學集團股份有限公司，山東 煙臺 264006)

某裝置余熱鍋爐是通過燃燒工業廢液和廢氣產生的煙氣熱量為熱源來加熱12Cr1MoVG爐管（以下簡稱爐管）中流動的鍋爐水，使其產生40公斤蒸汽并入園區蒸汽管網。其高溫過熱器爐管規格φ38mm×3mm，進口煙氣溫度為964℃，出口煙氣溫度為832℃，爐管內的蒸汽壓力設計為4.3MPa。裝置共有AB兩臺鍋爐間歇使用，B鍋爐自2015年3月16日投入使用（煮爐），保持在30%～50%負荷運行，累計運行1242小時（約52天）后，在同年11月17日運行過程中2根爐管發生爆裂泄漏，使鍋爐無法正常工作。為了防止事故的再次發生，通過分析失效爐管的化學成分、微觀組織以及結垢物，找到了爐管爆裂的原因。

1 檢驗與分析

高溫過熱器共有8排爐管，爆裂爐管均位于第2排。爆裂口及堵塞部位的爐管位于南數第14根（以下簡稱14#）和第29根（以下簡稱29#）的過熱器爐管中部偏下位置，其中第14#爐管的一個下回彎頭存在內部完全堵塞現象。爐管爆裂宏觀形貌見圖1。

1.1 爐管宏觀分析

由圖2可見，14#爐管的爆裂口呈大喇叭狀，屬典型的短時超溫（或超壓）爆裂口形貌特征，爆裂口邊緣較薄，長約82mm，張口最大尺寸約65mm，爆口最大處的外壁邊緣有明顯的樹皮皺，表明該部位在未爆裂之前就已經存在高溫蠕變現象。爆口邊緣氧化層基本已脫落，其他部位內外壁氧化層厚度約0.8mm，未見明顯內部結垢。

由圖3可見，29#爐管的爆裂口較小，屬典型的長期高溫蠕變爆口形貌特征，爆口邊緣有較厚的氧化層，表面該部位高溫氧化嚴重。爆口邊緣氧化層有的已經脫落，測得內外壁氧化層厚度分別約0.6mm和0.55mm。

圖1 爐管爆裂宏觀形貌

圖2 14#爐管爆口及附近形貌

圖3 29#爐管爆口及附近形貌

1.2 化學成分分析

分別對14#和29#爐管進行化學成分分析，分析結果見表1，表面爐管的化學成分滿足GB/T 5310標準中對12Cr1MoVG爐管的化學成分要求。

1.3 金相分析

選取14#爐管“A”、“C”、“G”剖面處和29#爐管“A”、“B”、“E”剖面處，金相分析面見圖4，其中爆裂口處均為A截面。

圖4 金相分析部位

（1）電子金相。分別對爐管截面的不同部位進行掃描電鏡分析，分析結果見圖5和圖6。14#爐管爆裂口A截面“1”和“5”處均有明顯蠕變裂紋被拉長現象。“2”和“4”有蠕變裂紋（主要呈楔形狀裂紋），表面該部位存在明顯的相對較長時間的超溫現象（見圖5a）；“C”和“G”截面均有面向的蠕變空洞，也發有榫形裂紋狀（見圖5b、c）；夾雜物已脫落的空洞處有明顯的塑性變形，表明“3”背火面也發生了蠕變，但相對輕微。

表1 化學成分分析結果

圖5 14#爐管電子金相

29#爐管爆裂口A截面“1”部位為爆裂口形貌，在爆裂口邊緣有高溫氧化痕跡，在“2”和“4”可觀察到有明顯的蠕變裂紋，“3”有蠕變空洞存在（見圖6a）；B截面“1”部位雖未穿透，但剩余厚度僅有約0.65mm，在其外表面上還可觀察到深約0.4mm的小蠕變裂紋，“2”、“3”、“4”部位可見有蠕變裂紋或蠕變空洞（見圖6b）；E截面上有明顯的蠕變空洞，夾雜物已脫落的空洞處有明顯的塑性變形（見圖6c）。

（2）光學金相。分別對爐管不同部位進行金相組織觀察，觀察結果見圖7、8和表2。由表2可見，兩根爆管的爆裂口側（向火面）均已球化，表明爐管長期在高溫下運行，使珠光體發生了嚴重球化。

圖6 29#爐管電子金相

2 分析與討論

2.1 主要分析結果

宏觀檢查結果可知，14#爐管爆裂口主要具有短時超溫爆口形貌特征，在爆口邊緣外還有高溫蠕變形貌特征，表明該段在發生爆管前就已有蠕變現象；29#爐管爆裂口具有典型的高溫蠕變爆口特征。

化學成分分析結果表明，兩根爆管的化學成分滿足相關標準的要求。

金相組織分析結果可知，兩根管均發生了明顯的球化現象，爆裂口側（向火面）發生嚴重球化（5級）。

圖7 14#爐管光學金相

圖8 29#爐管光學金相

表2 金相組織分析結果

電子金相顯示，兩根爆裂口均有蠕變楔形裂紋和蠕變空洞。

2.2 原因討論

分析結果表明，該鍋爐高溫過熱器爆裂的爐管同時存在兩種失效現象，即14#爐管的短時超溫爆管和29#長期蠕變爆管。分析發現表現為短時超溫爆管的14#爐管同時還存在蠕變損失，結合14#管和29#管金相組織的珠光體球化程度相近（5級，即嚴重球化）的現象判斷，14#管是在已存在嚴重超溫運行導致的蠕變損失的情況下又經歷了短時嚴重超溫后發生的爆管。由此可見，該鍋爐高溫過熱器部分管子運行期間存在較嚴重超溫現象，爐管組織容易產生珠光體球化，珠光體球化在降低爐管高溫性能的同時，也降低了爐管的使用壽命，導致管子過早發生材質劣化和蠕變損失。

根據擴散控制理論，球化時間t與使用溫度T之間有如下關系式：Lnt=LnA+B/T

式中：A和B均為材料系數。

對于12Cr1MoV鋼，達5級球化的時間t與溫度T的關系如下：

T=33500/(Lnt+26.94921)-273.15

將過熱器的累計運行時間t=1242h代人上式算得運行的平均管壁溫度約710℃，而12Cr1MoV鋼在鍋爐過熱器中的設計最高使用溫度為580℃。由此可見，失效過熱器爐管運行中基本處于嚴重超溫運行狀態。從爐管剖開情況來看，14#爐管上游存在嚴重的堵管現象，而29#爐管存在高溫蠕變損失，由此推斷堵管并不是導致過熱器爐管出現超溫的主要原因，但會加劇14#爐管材質劣化和蠕變損失，并最終導致短時超溫爆裂。

綜上分析認為，由于鍋爐長期在30%～50%之間低負荷運行，容易造成蒸汽偏流，導致流量低的管子發生超溫現象，由于爐管長時間處于超溫環境下發生高溫蠕變，空洞或蠕變空穴沿晶界形成。隨著空洞或蠕變空穴的不斷長大和聚集，爐管材料的強度不斷下降，當其強度承受不住管內超高壓氣體的壓力時，就造成了爐管的爆裂。

3 結語

（1）該鍋爐高溫過熱器爆管是由于爐管運行中嚴重超溫導致的材質劣化和高溫蠕變造成，發生高溫蠕變，鍋爐開工后長期在低負荷下運行造成蒸汽偏流是導致部分爐管嚴重超溫的重要原因之一。

（2）14#爐管是在管子材質劣化和蠕變損傷后又在局部發生短時嚴重超溫并導致爆管，短時超溫是因該爐管上游下回彎彎頭（低點）發生堵管引起的。

（3）為防止此類事故的再發生，必須嚴格控制爐管的工作溫度，即避免在低負荷下長時間運行，防止鍋爐爐管的出現局部長期超溫過熱和蠕變提前發生。