鍋爐T91高溫過熱管爆管失效分析

張海華，趙俊卿，于 雷，唐國喜，劉 歡

（吉林建龍鋼鐵有限責任公司，吉林 吉林 132000）

T91鋼是國內鍋爐用鋼的主力鋼種之一，多用于壁溫不高于600℃的過熱器，它是在9Cr1MoV鋼的基礎上適當降低碳含量，嚴格控制硫、磷含量，同時加入釩、鈮、氮等合金化元素進行微合金化處理，它具有較高的室溫抗拉強度和優異的高溫持久強度，良好的高溫抗氧化性和耐蝕性，低的熱膨脹系數和良好的導熱性，T91管具有良好的整管彎曲加工性能。

某廠鍋爐高溫過熱器從左往右第37屏蛇形管出口端距頂棚約2米位置發生爆管，該管服役7年有余，設計材質為SA-213 T91，規格為φ38mm×5mm，管內輸送溫度為540℃的脫鹽、脫氧水蒸氣，流量為25t/h，額定壓力為13.7Mpa，外部工作環境為含硫煙氣，溫度約900℃。

1 樣品宏觀狀態

圖1 宏觀狀態-爆口形貌

圖2 宏觀狀態-管內壁裂紋

樣品為爆管的一部分，宏觀可見爆口處有明顯的漲粗變形和撕裂現象，管外壁有明顯氧化層，質地較硬；管內壁也有較厚的氧化層，部分氧化層可見沿縱向分布的裂紋，見圖1和圖2。經數顯千分尺測量，爆口處壁厚已減薄至約3.96mm，在管子的另一端測量壁厚為4.57mm。

2 化學成分

在爆口附近加工試樣進行化學成分分析，分析設備為ARL8860直讀光譜儀，分析結果見表1，表內同時列出了T91化學成分規范值。

3 力學性能

受樣品尺寸影響，無法進行拉伸試驗檢測，按照《GB/T4340.1-2009 金屬維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進行維氏硬度檢測后換算成強度值，維氏硬度檢測結果及換算后強度見表3，表內同時列出了T91力學性能規范值。

表3 力學性能

4 微觀分析

4.1 取樣

在爆口附近，沿縱軸線截取縱向截面進行非金屬夾雜物檢測，編為1#-縱向；垂直鋼管縱軸線截取圓周面進行金相顯微組織分析，編為1#-圓周面。金相組織采用苦味酸鹽酸溶液腐蝕劑進行腐蝕，在Observe3M金相顯微鏡下觀察。

表1 化學成分分析

表2 爆口取樣室溫和高溫（550℃）拉伸試驗

4.2 金相分析

（1）試樣基體非金屬夾雜物以球狀氧化物類夾雜為主，未見大尺寸夾雜和其他雜質。

（2）組織形貌。在1#-圓周面上多個位置進行檢測，觀察其金相組織形貌。

鋼管的內外壁均結有較厚的氧化層，外壁氧化層較厚，約為647μm，內壁氧化層最大厚度約為287μm，見圖3。

經苦味酸鹽酸溶液腐蝕劑腐蝕后，靠近管外壁的表面位置出現明顯的過熱現象，過熱層約為400μm，見圖4；管內壁也出現較輕微的熱影響區，約為80μm，且內壁局部位置出現了輕微脫碳現象。

通過檢測鋼管中心部位的顯微組織，為鐵素體+碳化物，基體顯微組織發生了轉變，基體上原始彌散細小分布的碳化物在晶界處析出，并聚集長大，見圖5。

圖3 氧化層

圖4 過熱現象

圖5 顯微組織

5 力學性能測試

根據表2數據顯示：溫度不同的條件下，爆口向火側屈服強度、抗拉強度顯著不如背火側屈服強度、抗拉強度。爆口向火側、背火側室溫條件下抗拉強度、屈服強度低于ASME相關標準，且延伸率滿足標準要求。爆口在高溫條件下其屈服強度低于GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準要求，向火面樣品高溫條件下屈服強度同樣低于標準要求。

6 電鏡掃描

使用Fei Quanta 400HV電子顯微鏡對爆口位置進行掃描，如圖6所示。

a是低倍鏡下照片，可以明顯看到爆口上方有細小的纖維狀凹凸，b是高倍鏡下照片，爆口呈現韌窩狀態，因此可以斷定此爆口是塑性斷裂。

圖6 低倍鏡、高倍鏡下韌窩斷口形態

7 討論與結論

（1）通過化學成分分析，樣品成分符合SA-213中T91的規范要求。

（2）樣品宏觀形貌所示的管體脹粗變形和爆口撕裂形貌，鋼管爆口附近壁厚的減薄現象，表明鋼管自身不能承受管內壓力，從而引起爆裂。

（3）微觀分析鋼管基體的非金屬夾雜物含量很低，說明爆裂原因并非由非金屬夾雜物引起。

（4）T91原始顯微組織應為回火馬氏體，原始彌散分布于基體的碳化物在晶界處大量析出，聚集長大的現象，說明金相組織發生了蠕變損傷，引起了管材強度的降低，這與硬度檢測結果一致，該樣品板條馬氏體的消失說明高密度位錯數量減少，合金元素由固溶體向碳化物轉移，聚集在晶界上的大顆粒碳化物使晶界強化效果下降。碳化物的逐漸長大、粗化，削弱了鉻、鉬元素的固溶強化作用。這段管材使用過程中受熱超過了T91 的使用溫度上限，且時間較長，通過管內、外壁的組織過熱和脫碳現象也能說明此點。

（5）另外，鋼管的內壁和外壁，均附著了大量的、質地堅硬的氧化層，該氧化層應為鐵與水蒸氣在高溫條件下發生反應生成的高溫氧化產物，其中外壁氧化層厚度超過了DL/T438-2016中規定的過熱器管外表面氧化層最大厚度600μm，氧化層的存在，阻隔了蒸汽介質與管壁金屬的熱量交換，鋼管的導熱性明顯下降，溫度升高又加速了其氧化過程，如此惡性循環進一步使該管段的實際使用溫度隨運行時間的延長不斷升高。

綜上所述，管體的長時間過熱是導致管體性能下降的主要原因，最終不能承受管內壓力，發生爆管失效。因此在實際工作中建議對蒸汽、金屬壁溫度進行嚴格控制，預防溫度過高，最大程度上降低管材的老化，同時需要注意及時清理聯箱管道，避免因為堵塞現象出現的堵塞問題。通過提升管材鑄造質量，配合無損探傷檢驗，在設備運行過程中明確平衡校驗合格，最大程度上控制運行載荷。