鍋爐過熱管開裂失效分析

吳旭煒，張永良

（1.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.國核示范電站有限責(zé)任公司，山東威海 264300）

1 概況

某煉化廠鍋爐在高溫過熱器爐管背火面發(fā)生泄漏，漏點(diǎn)位置集中于出口管束管道背火側(cè)，且分布較均勻，裂縫外圈可見白色粉末狀結(jié)晶，漏點(diǎn)位置未見明顯的漲粗等變形。管道存在一定的變形彎曲，上側(cè)為向火面，下側(cè)為背火面，如圖1所示。

圖1 來樣彎曲狀態(tài)圖

過熱器爐管規(guī)格為φ38×3.5 mm，材質(zhì)均為12Cr1MoVG，運(yùn)行壓力為6.03MPa，運(yùn)行介質(zhì)為水蒸氣，主蒸汽運(yùn)行溫度為420~460℃。自2013年3月安裝完成后運(yùn)行至今，運(yùn)行時間為3.75萬h。

2 檢驗(yàn)與測試

2.1 滲透檢測

截取一段裂紋分布較集中的管道，對其內(nèi)外壁分別進(jìn)行著色滲透檢測，檢測結(jié)果如圖2所示，左圖為背火面內(nèi)壁，右圖為背火面外壁。

圖2 背火面內(nèi)壁及外壁著色滲透圖

由圖2可見，背火面內(nèi)壁有3條較明顯的裂紋顯示，方向與軸線垂直，此外，同一軸線上還分布有十分密集的同方向細(xì)小裂紋和腐蝕坑；而背火面外壁只有3條較明顯的裂紋顯示，為內(nèi)壁貫穿至外壁的裂紋。由此可以推斷，裂紋是從背火面內(nèi)壁萌生，而外壁的裂紋為內(nèi)壁細(xì)小裂紋擴(kuò)展后貫穿管壁所形成。

2.2 光譜分析

在管材上截取一段試樣，在其截面上進(jìn)行光譜分析。其中，Mn：0.51%（質(zhì)量百分比），Cr：1.11%（質(zhì)量百分比），Mo：0.29（質(zhì)量百分比），V：0.20%（質(zhì)量百分比）。對比GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》化學(xué)成分，符合標(biāo)準(zhǔn)中12Cr1MoVG的化學(xué)元素成分，與業(yè)主提供材質(zhì)相符。

2.3 室溫拉伸試驗(yàn)

在未開裂管材背火面及向火面各取2根縱向室溫拉伸試樣。對比GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》拉伸標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率均符合要求，但抗拉強(qiáng)度接近要求下限值。室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 過熱管試樣室溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 顯微維氏硬度檢測

在來樣背火面外表面、內(nèi)表面、截面位置各取1塊試樣進(jìn)行顯微維氏硬度試驗(yàn)。對比過熱管道試樣中維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。顯微維氏硬度結(jié)果如表2所示。

表2 過熱管試樣顯微維氏硬度數(shù)據(jù)

2.5 金相檢測

在過熱管外表可見裂紋處截取一段試樣，在與裂紋垂直方向截面上進(jìn)行金相分析。低倍下背火面內(nèi)壁表面裂紋分布見圖3，可見圖上側(cè)為背火面內(nèi)壁表面，除了最右側(cè)一條貫穿裂紋之外，還密集分布了多條深淺不一的微裂紋。內(nèi)表面有少量氧化物，在貫穿裂紋表面存在腐蝕坑，裂縫內(nèi)部充滿氧化物，裂紋走向與內(nèi)表面垂直，裂紋呈穿晶和沿晶的混合形態(tài)。微裂紋起始于腐蝕凹坑，裂紋內(nèi)部充滿氧化物，裂紋走向與背火面內(nèi)壁表面垂直，裂紋呈穿晶和沿晶的混合形態(tài)，尾端圓潤，為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖3 背火面內(nèi)壁表面裂紋分布（×50）

低倍下背火面外壁表面裂紋分布，如圖4所示，圖下側(cè)為背火面外壁表面，此表面僅存在貫穿截面的裂紋，并未發(fā)現(xiàn)其他細(xì)小微裂紋。

圖4 背火面外壁表面裂紋分布（×50）

對背火面內(nèi)外壁裂紋分布情況的金相分析與之前滲透檢測的推斷一致，即裂紋從背火面內(nèi)壁萌生，繼而向背火面外壁擴(kuò)展。

在一處背火面外壁開裂處進(jìn)行金相分析，裂紋形貌見圖5。可見裂紋走勢較直，呈樹枝狀分叉形態(tài)。高倍下可見裂紋呈穿晶和沿晶的混合形態(tài)，見圖6。

圖5 背火面外壁表面裂紋形貌（×50）

圖6 背火面外壁表面裂紋高倍形貌（×500）

截面心部組織形貌見圖7，組織為鐵素體+珠光體+貝氏體。

圖7 截面心部組織（×500）

2.6 能譜分析

對過熱管背火面內(nèi)表面及外表面裂紋處白色粉末進(jìn)行能譜分析，檢測結(jié)果如表3所示。可見內(nèi)表面除了較多的氧化物之外還存在Cl-，這類離子會對過熱管內(nèi)表面產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕，形成腐蝕坑，并在應(yīng)力造成的晶格破壞的條件下滲入金屬基體，形成穿晶或沿晶腐蝕[1]。而在外表面裂紋處白色粉末發(fā)現(xiàn)含量較高的Mg2+和Ca2+，可能與鍋爐水質(zhì)量控制情況有關(guān)。

表3 能譜分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)（wt%）

3 結(jié)論

1）根據(jù)化學(xué)分析及力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果可知，材料符合12Cr1MoVG相關(guān)技術(shù)要求。

2）根據(jù)著色滲透檢測及金相分析結(jié)果可以推斷，裂紋是從背火面內(nèi)壁萌生。

3）根據(jù)管子彎曲方向可知，過熱管背火面受到縱向拉應(yīng)力的作用。

4）根據(jù)能譜分析結(jié)果可知，管內(nèi)壁存在腐蝕性Cl-。

綜上，該過熱管的開裂滿足產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的要素，即管內(nèi)存在的腐蝕性介質(zhì)和背火面管壁受到的拉應(yīng)力，兩者長期作用在背火面內(nèi)壁形成點(diǎn)腐蝕，繼而萌生裂紋，不斷擴(kuò)展，最終從外壁貫穿。

對于過熱管背火面的應(yīng)力分析可知，過熱管背火面管壁整體受到的是拉應(yīng)力，但外壁受到的拉應(yīng)力要大于內(nèi)壁的拉應(yīng)力，而裂紋之所以是從內(nèi)壁起始是由于管內(nèi)介質(zhì)所攜帶的腐蝕性離子與應(yīng)力疊加的結(jié)果。因此，可以加強(qiáng)對水質(zhì)控制的管理，盡可能減少Cl-等腐蝕性離子的危害，同時還可以排查相關(guān)爐管是否受到異常機(jī)械應(yīng)力或結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的影響，避免爐管長期處于異常的應(yīng)力狀態(tài)下服役。