某余熱鍋爐低溫過(guò)熱器U型管爆管原因

湯鵬杰,梁 斌

(1.南京金創(chuàng)有色金屬科技發(fā)展有限公司,南京211178;2.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院,南京 210019)

12Cr1MoVG 鋼是在Cr-Mo鋼的基礎(chǔ)上,以少量的V元素代替部分Cr、Mo元素發(fā)展而來(lái)的。V元素在鋼中可以降低合金元素(主要是Mo)由鐵素體向碳化物擴(kuò)散的速率,生成的VC可以起到彌散強(qiáng)化作用。該鋼具有較高的蠕變性能、持久強(qiáng)度和塑性,以及良好的抗高溫氧化性能和焊接性能,被廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組中運(yùn)行溫度不超過(guò)540 ℃的集箱、蒸汽管道以及壁溫不超過(guò)580 ℃的過(guò)熱器、再熱器等高溫部件[1-2]。

2021年7月某公司新建余熱鍋爐在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)主汽流量和主汽壓力下降的現(xiàn)象,過(guò)熱器與鍋筒壓差逐漸增大,減少對(duì)空排氣后主汽壓力仍未上升,遂采取緊急停爐。停爐檢查發(fā)現(xiàn),多根低溫過(guò)熱器U型管(過(guò)熱管)已經(jīng)斷裂,如圖1(a)所示。據(jù)了解,該鍋爐于2020年10月安裝,2021年6月投入試運(yùn)行開(kāi)始煮爐操作,之后正常投入運(yùn)行,直至7月發(fā)生過(guò)熱器爆管,運(yùn)行時(shí)間不足兩個(gè)月。過(guò)熱器校核工況如下:煙氣進(jìn)口溫度為750 ℃,出口溫度為262 ℃,煙氣流量為40 800 Nm3/h;蒸汽溫度為400 ℃,壓力為2.45 MPa,蒸發(fā)量為17.9 t/h。過(guò)熱管材質(zhì)為12Cr1MoVG鋼,冷彎成型,規(guī)格為38 mm×4 mm,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》。為查明爆管原因,避免此類事故再次發(fā)生,對(duì)斷裂過(guò)熱管進(jìn)行失效分析。

圖1 斷裂過(guò)熱管的宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀斷裂形貌分析

如圖1(b)所示:U型過(guò)熱管斷裂于彎曲段,為徑向斷裂;其外表面附著紅棕色氧化產(chǎn)物,較脆、易剝落,應(yīng)為爆管后泄漏的蒸汽腐蝕產(chǎn)物;斷口及內(nèi)壁存在大量白色物質(zhì),可能為水垢、腐蝕垢或其他沉積物。

將斷口完整切取,觀察發(fā)現(xiàn)斷口邊緣無(wú)減薄,也無(wú)明顯宏觀塑性變形,具有脆性斷裂特征,圖略。經(jīng)草酸酸洗去除表面腐蝕產(chǎn)物后,在體視顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),斷口表面高低起伏,可見(jiàn)粗糙區(qū)和平滑區(qū),粗糙區(qū)呈臺(tái)階狀,具有多裂紋交互特征,如圖1(c)所示。如圖1(d)所示,平滑區(qū)是裂紋受力后快速擴(kuò)展形成的,隱約可見(jiàn)放射性條紋特征,在斷口內(nèi)側(cè)還發(fā)現(xiàn)多條平行裂紋,推測(cè)過(guò)熱管爆管起裂于內(nèi)壁。

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂過(guò)熱管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果顯示,過(guò)熱管材質(zhì)合格,化學(xué)成分滿足GB/T 5310-2017對(duì)12Cr1MoVG鋼的規(guī)定。

表1 斷裂過(guò)熱管的化學(xué)成分

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂過(guò)熱管直管段上取樣,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分:高溫試驗(yàn)方法》,分別進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和500 ℃拉伸試驗(yàn),見(jiàn)表2。結(jié)果顯示,過(guò)熱管室溫拉伸性能和高溫拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310-2017對(duì)12Cr1MoVG鋼的規(guī)定。

表2 斷裂過(guò)熱管直管段的拉伸性能

分別在斷裂過(guò)熱管直管段和彎頭處取樣,在過(guò)熱管橫截面進(jìn)行維氏硬度測(cè)試。由表3可見(jiàn),彎頭硬度高于直管段,這是由于彎頭成型時(shí)產(chǎn)生了加工硬化,說(shuō)明彎頭成型后內(nèi)部存在較高的殘余應(yīng)力。

表3 斷裂過(guò)熱管直管段和彎頭的維氏硬度

1.4 金相檢驗(yàn)

分別在斷裂過(guò)熱管直管段和斷口處取樣,用ZEISS Scope.A1型顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示:斷口處顯微組織正常,與直管段組織無(wú)差異,均由鐵素體、珠光體和貝氏體組成,是12Cr1MoVG鋼正常正火組織;鐵素體晶粒度9級(jí),珠光體形態(tài)完整,未見(jiàn)明顯球化、表面脫碳等劣化現(xiàn)象。

圖2 斷裂過(guò)熱管直管段和斷口處的顯微組織

如圖3所示:在斷口內(nèi)壁可見(jiàn)較多細(xì)小裂紋,裂紋多萌生于內(nèi)壁腐蝕凹坑,并沿壁厚方向擴(kuò)展延伸;沿著主裂紋觀察發(fā)現(xiàn),裂紋間存在腐蝕產(chǎn)物,兩側(cè)衍生較多二次裂紋,呈現(xiàn)樹(shù)枝狀分叉形貌;裂紋尖端尖銳,以沿晶擴(kuò)展為主,少數(shù)呈穿晶形式擴(kuò)展,具有典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征[3]。

圖3 過(guò)熱管斷口內(nèi)部裂紋的微觀形貌

1.5 掃描電鏡及能譜分析

用ZEISS EVO18型能譜儀(EDS)對(duì)過(guò)熱管斷口及內(nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物的元素組成進(jìn)行分析,見(jiàn)表4。結(jié)果顯示:斷口和內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物均含有較高的Fe、O、Na、P、S元素;外壁腐蝕產(chǎn)物含有較高的Fe、O元素,應(yīng)為鐵的氧化物。

表4 過(guò)熱管斷口及內(nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果

取部分?jǐn)嗫诟g產(chǎn)物溶于水中,測(cè)得pH為13,說(shuō)明斷口腐蝕產(chǎn)物具有強(qiáng)堿性。為確定腐蝕產(chǎn)物的主要成分,用ARL X TRA型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析,如圖4所示。結(jié)果顯示,腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物(Fe3O4、FeO)和鈉鹽(Na2CO3、Na2SO4、NaClO)為主,還存在少量的SiO2。

圖4 過(guò)熱管斷口腐蝕產(chǎn)物的XRD譜

在ZEISS EVO18型掃描電鏡下觀察過(guò)熱管斷口的微觀形貌,如圖5所示。結(jié)果顯示:低倍下可見(jiàn)斷口表面存在大量二次裂紋,二次裂紋是主裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中產(chǎn)生分叉所形成的;高倍下可見(jiàn)階梯狀解理臺(tái)階,呈脆性解理斷裂特征。

圖5 過(guò)熱管斷口的微觀形貌

2 討 論

2.1 過(guò)熱管斷裂原因

經(jīng)檢驗(yàn),過(guò)熱管材料合格,化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310-2017對(duì)12Cr1MoVG鋼的規(guī)定。斷口顯微組織正常,由鐵素體、珠光體和貝氏體組成,是12Cr1MoVG鋼正常的正火組織,珠光體形態(tài)完整,未見(jiàn)球化現(xiàn)象。經(jīng)觀察,斷口附近無(wú)明顯宏觀塑性變形,微觀斷口具有階梯狀解理特征,說(shuō)明過(guò)熱管爆管屬于脆性斷裂。在斷口處內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)較多細(xì)小裂紋,裂紋以沿晶開(kāi)裂為主,呈樹(shù)枝狀向外壁擴(kuò)展,從裂紋擴(kuò)展形貌來(lái)看,符合應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征。能譜分析顯示,斷口腐蝕產(chǎn)物含有較高的Fe、O、Na、P、S元素。經(jīng)XRD分析,腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物和鈉鹽為主,說(shuō)明斷口附近存在積鹽現(xiàn)象。pH測(cè)試結(jié)果表明,腐蝕產(chǎn)物具有強(qiáng)堿性,為積鹽形成的堿濃縮。綜合分析認(rèn)為,過(guò)熱器U型管發(fā)生了起于內(nèi)壁的堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,即堿脆。

碳鋼發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂需同時(shí)具備三個(gè)條件[4-6]:(1) 較高的拉應(yīng)力;(2) 較高含量的堿液(碳鋼發(fā)生堿脆時(shí)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)須大于5%,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35%時(shí)最易發(fā)生堿脆);(3) 較高的溫度(碳鋼發(fā)生堿脆的最低溫度為46 ℃,在沸點(diǎn)附近最容易發(fā)生堿脆)。當(dāng)溫度為50 ℃時(shí),在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%NaOH的堿液中碳鋼才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,而當(dāng)溫度為90 ℃時(shí)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%NaOH的堿液中碳鋼就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。分析可知,過(guò)熱器U型管具備發(fā)生堿脆的條件,冷彎成型產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和蒸汽壓力均為應(yīng)力腐蝕提供力學(xué)條件。過(guò)熱管積鹽形成堿濃縮,為應(yīng)力腐蝕提供腐蝕環(huán)境,當(dāng)堿含量達(dá)到發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的臨界值時(shí),微裂紋形核萌生。

2.2 過(guò)熱管開(kāi)裂機(jī)理

堿脆是金屬及合金材料在堿性溶液中,由拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生開(kāi)裂的現(xiàn)象,它是金屬材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的一種類型。碳鋼在高溫下會(huì)與水蒸氣發(fā)生反應(yīng),如式(1)所示[5]。

(1)

生成的Fe3O4覆蓋在鋼的表面,形成一層致密的保護(hù)膜。當(dāng)堿液在鋼表面富集濃縮時(shí),Fe3O4保護(hù)膜會(huì)被溶解。一方面,露出的金屬基體與堿液反應(yīng),生成疏松、多孔的非層狀磁性氧化物,反應(yīng)式見(jiàn)式(2)～(3)[6];另一方面,露出的金屬基體作為陽(yáng)極,周邊的Fe3O4保護(hù)膜作為陰極,兩者發(fā)生電化學(xué)腐蝕,腐蝕沿晶界深入,形成微裂紋。隨著堿液在裂尖富集,反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致材料堿脆開(kāi)裂[11]。

2H2O

(2)

(3)

綜上所述,過(guò)熱器U型管爆管是由內(nèi)壁發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂導(dǎo)致的,即堿脆。過(guò)熱管冷彎成型產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和蒸汽壓力均為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂提供力學(xué)條件。鍋爐水堿度長(zhǎng)期偏高,大量堿性物質(zhì)在U型管沉積,產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象,逐漸形成堿濃縮。當(dāng)堿濃度達(dá)到臨界值時(shí),微裂紋形核萌生,裂紋以沿晶開(kāi)裂為主,呈樹(shù)枝狀迅速向外壁擴(kuò)展,導(dǎo)致低溫過(guò)熱管斷裂失效。

3 結(jié)論與建議

(1) 過(guò)熱管材料的化學(xué)成分、拉伸性能均合格,符合GB/T 5310-2017對(duì)12Cr1MoVG鋼的要求。顯微組織正常,為鐵素體+珠光體+貝氏體,珠光體形態(tài)完整,無(wú)明顯球化、表面脫碳等劣化現(xiàn)象。

(2) 過(guò)熱器爆管機(jī)制為堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,即堿脆。由于鍋爐運(yùn)行期間爐水堿度偏高,導(dǎo)致低溫過(guò)熱器U型管積鹽形成堿濃縮。在冷彎殘余應(yīng)力和蒸汽壓力共同作用下,萌生堿應(yīng)力腐蝕裂紋,隨著時(shí)間的推移,裂紋持續(xù)擴(kuò)展,導(dǎo)致過(guò)熱管斷裂失效。

(3) 在水處理方面,建議強(qiáng)化水質(zhì)管理,嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 1576-2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在運(yùn)行方面,優(yōu)化鍋爐排污工作,根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果,及時(shí)調(diào)整鍋爐的連排和定排操作。