蒸汽鍋爐水冷壁爐管爆裂失效分析

劉紹華

（大慶石化公司設備維修中心，黑龍江大慶 163714）

0 引言

在火力發電廠等企業中，水冷壁爐管是蒸汽鍋爐的主體部分。在長期高溫條件下，水冷壁爐管容易產生珠光體球化、高溫蠕變等損傷，進而造成爐管發生爆裂事故[1～8]。2019 年2 月，某石化公司熱電廠鍋爐車間，一臺蒸汽鍋爐在檢修結束后，剛開始啟爐生產就由于MFT 保護動作引起停爐。鍋爐檢查發現，前墻水冷壁爐管從甲側往乙側數第3 個聯箱的第62 根爐管發生了爆裂。該蒸汽鍋爐于1987 年10 月投入使用，累計運行27.6 萬小時。爐管尺寸規格Ф60×5 mm，爐管材料為Q245R，管內溫度為320 ℃，工作壓力為11 MPa。為查明這起爐管爆裂事故原因，針對62#爆裂爐管以及相鄰爐管進行了檢測分析，以確定其失效機理，進而采取相應的技術措施消除安全隱患。

1 爐管爆裂形態檢查分析

由爆裂爐管宏觀形態可以看出，爐管爆裂位于爐管迎火面一側，爆裂沿著爐管縱向開裂，爆裂處的張開裂口較大（圖1）。爐管爆裂處的內壁未發現異常，無較厚的水垢沉積，內壁氧化層也較薄，由此排除結垢過厚造成爐管超溫的情況。

圖1 爆裂爐管及相鄰爐管宏觀形態

雖然爆裂爐管的其他部位未發現明顯鼓包現象，但是爐管遠離爆裂處的管體橫截面均有一定程度鼓脹和蠕變減薄現象。測量爐管遠離爆裂處的鼓脹外徑為63 mm、最小壁厚為4.1 mm，蠕變減薄情況不太嚴重。這說明爐管爆裂可能不是長期高溫蠕變形成的，推斷是由于短期超溫產生的。

爆裂爐管的外壁氧化層較厚且氧化層由于高溫蠕變發生了明顯的縱向開裂，而相鄰爐管的外壁雖然也有氧化層但是氧化層未發生開裂，說明相鄰爐管未發生蠕變。由圖2 可知，與爆裂爐管相鄰的爐管外壁和壁厚均未發現外徑增大和壁厚減薄等異常現象，說明相鄰爐管未發生超溫蠕變現象。

圖2 爆裂爐管和相鄰爐管的截面形貌

2 爆裂爐管斷口微觀檢測分析

在爆裂爐管上截取斷口試樣，由試樣宏觀形貌可以看出，爆裂爐管的橫截面壁厚顯示，爐管迎火面管體大部分區域減薄較小，只有在斷口附近急劇減薄且斷口處剩余壁厚依然較大，這說明爆裂爐管的蠕變周期不長，為短期超溫現象（圖3）。

圖3 爆裂爐管試樣的截面宏觀形貌

將斷口試樣用掃描電鏡分析斷口表面微觀形貌，爆裂爐管的斷口寬度較小，斷口微觀形貌特征為塑性韌窩，無脆性解理和沿晶形態，說明爐管材料塑性很好，斷口附近也未發現管體軋制常出現的折疊缺陷痕跡，證明爐管材料不存在問題，不是材料缺陷造成爐管爆裂（圖4）。

圖4 爆裂爐管斷口的微觀形貌（300 倍）

3 爆裂及相鄰爐管金相組織檢測分析

在爆裂爐管的不同部位截取試樣，在相鄰爐管上也截取試樣，經過金相砂紙研磨和金剛石拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，制備成金相試樣，利用金相顯微鏡對試樣的金相組織進行微觀分析。

水冷壁爐管的材料為Q245R 低碳鋼，軋制后進行正火熱處理或者軋制后正火態供貨，其金相組織為“較少珠光體+較多鐵素體”，其中珠光體為灰黑色晶粒形態。由圖5 和圖6 可以看出，爐管爆裂部位的金相組織完全不是“珠光體+鐵素體”，爆口處的金相組織基本為低碳馬氏體，爆口附近的金相組織主要為“貝氏體（屬于羽毛狀貝氏體類型）+少量低碳馬氏體”。馬氏體和貝氏體都是金屬加熱達到奧氏體化組織后經過淬火急冷條件下得到的，其中貝氏體冷卻速度略低于馬氏體，屬于等溫淬火。

圖5 爆口處的金相組織（500 倍）

圖6 爆口附近的金相組織（500 倍）

由圖7 可以看出，爐管爆口處對應的背火側金相組織為正常的“較少珠光體+較多鐵素體”組織，晶粒度達到7 級，金相組織中珠光體球化損傷不明顯。這證明爐管材料為正火組織，而爐管Q245R 材料不可能進行淬火熱處理，原始材料不存在馬氏體和貝氏體，因此判斷爆口處的馬氏體和貝氏體是本次超溫爆裂產生的。同時也說明：①爐管超溫過熱屬于短期發生，不是長期積累造成的；②爐管超溫過熱判斷是本次開爐生產發生的；③爐管超溫過熱程度很高，至少達到金屬奧氏體化溫度，否則不會發生馬氏體和貝氏體相變。

圖7 爆口處對應的背火側金相組織（500 倍）

由圖8 可以看出，爐管遠離爆裂部位的向火側金相組織也不是“珠光體+鐵素體”，而是“大部分貝氏體+少量低碳馬氏體”。這說明該段爐管經歷了超溫過熱后的爆裂進水急冷過程，只是由于遠離爆裂部位的爐管壁厚減薄程度較小、急冷速度略低，所以金相組織大部分相變成貝氏體。

圖8 遠離爆裂處的向火側金相組織（100 倍）

由圖9 可以看出，相鄰爐管的向火側金相組織基本正常，微觀組織顯示出較少珠光體+較多鐵素體，珠光體球化損傷不明顯，未發現表面嚴重脫碳、粗大夾雜物等組織缺陷，這說明相鄰爐管的金相組織未發生明顯相變、基本無超溫過熱現象。

圖9 相鄰爐管的向火側金相組織（100 倍）

4 爐管爆裂失效分析與技術措施

（1）通過分析發現，蒸汽鍋爐62#水冷壁爐管遠離爆裂部位存在外徑增大和壁厚減薄現象，相鄰爐管未發現外徑增大和壁厚減薄；爆裂爐管背火側以及相鄰爐管向火側金相組織正常，而爆裂爐管向火側為異常組織相變的低碳馬氏體和貝氏體；蒸汽鍋爐本次開爐生產就發生爆管。根據這些判斷爐管爆裂原因為，本次開爐生產爐管發生短期嚴重超溫過熱，產生局部快速蠕變鼓包，最終導致爐管爆裂。

（2）蒸汽鍋爐只有62#水冷壁爐管嚴重超溫而相鄰爐管無超溫現象，推測4#鍋爐在上次停工檢修期間有異物堵塞落入62#爐管，從而導致水汽流動不暢、產生短期嚴重超溫情況。在爐管爆裂后，大量蒸汽噴射排空時將異物吹出，因而未能在爐管內發現異物。因此，在蒸汽鍋爐本次停工期間，依次打開鍋爐下部聯箱，對水冷壁爐管進行高壓吹掃，發現了較多焊渣、螺栓、小掛架片等各類異物，消除了鍋爐水冷壁爐管的超溫隱患。