屏式過熱器管爆口原因分析

1 概述

遼陽某熱電廠5號鍋爐屏式過熱器甲數第5排外圈過熱器管（水平管）于2011年6月發生爆裂。

該過熱器管材質為12Cr2MoWVTiB鋼無縫管；管子規格為Φ42mm×5mm。管內介質為：高溫高壓過熱蒸汽，溫度540℃，壓力9.8MPa；爐內高溫煙氣的溫度大約為980℃。該組過熱器于1993年投入使用。

2 宏觀分析

過熱器管爆口位置在屏式過熱器水平管轉彎處（靠近豎直管）的向火面上。該管爆口處及其附近的管徑未發生明顯的脹粗和變形；爆口是縱向開裂，呈厚唇“魚嘴狀”特征；爆口附近還有多條縱向裂紋存在，與爆口呈平行狀態，見圖1。從該過熱器管爆口的形貌特征來看，屬于長期過熱爆管破壞。

圖1 過熱器管爆口部位宏觀形貌

3 化學成分分析

從屏式過熱器管上，取塊狀樣品，依據GB/T 16597-1996等，使用熒光光譜儀等，對其材質進行化學成分分析，結果如表1所示；表2是12Cr2MoWVTiB的標準化學成分。比較可見，屏式過熱器管材質成分符合標準要求。

表1 屏式過熱器管的化學成分分析（質量分數/%）

表2 12Cr2MoWVTiB鋼管的化學成分（質量分數/%）

4 金相分析

從過熱器管爆口處和離爆口較遠處取橫向金相樣品，經預磨、拋光和4%硝酸酒精浸蝕后，觀察分析其金相組織，并參照《DL/T 884-2004火電廠金相檢驗與評定技術導則》[2]中的“非珠光體鋼的組織老化評定”方法，對該過熱器管爆口處、離爆口較遠處的管壁金相組織老化程度進行評定。

（1）爆口處向火面：過熱器管爆口處的向火面內、外管壁有多條裂紋產生并發展，造成管壁厚度的局部嚴重減薄，當裂紋擴展到一定程度，使管壁的有效厚度不足以抵抗管內壓力時，就會發生管壁的爆口；爆口的產生是以在管壁外表面出現的裂紋向內擴展為主；在裂紋的邊緣都有氧化層附著，說明裂紋擴展進程較慢，經過較長時間的發展過程；管壁組織的金相組織是回火貝氏體；在爆口附近的管壁組織中，有很多孔洞和裂紋存在，它們沿晶界產生并發展擴大；該處過熱器管管壁組織已經嚴重老化，級別達到5級。

（2）爆口處背火面：在爆口處的過熱器管背火面的外、內壁有很厚的氧化層，并且內壁氧化層比外壁的要厚些，氧化層厚度均勻致密，在與管子母材交界處也有一層較薄的內氧化層；管壁組織的金相組織是回火貝氏體；該處過熱器管管壁組織已經完全老化，級別達到4級。

（3）離爆口較遠處：該處過熱器管向火面外壁有大約400μｍ厚的氧化皮層（可見兩層，并有開裂），在氧化皮層的外面有1mm以上的灰焦渣層；在向火面內壁也有大約400μｍ厚的氧化皮層（可見兩層，并有開裂）；該處過熱器管管壁的金相組織是回火貝氏體，老化級別為3~4級即中度老化~完全老化。在該過熱器管背火面的管壁內、外表面也有大約150μｍ厚的氧化皮層（可見兩層，并有開裂）；管壁的金相組織是回火貝氏體，老化級別為3~4級即中度老化~完全老化。

5 分析與討論

屏式過熱器受爐膛火焰直接輻射，熱負荷比較高，而屏中各管圈的結構和受熱條件的差別又較大，因而屏式過熱器的熱偏差較大，特別是外圈管子，直接受到爐膛的高溫輻射，工質行程又最長，因而流阻大，流量小，其工質焓增常比平均焓增大40~50%，容易超溫燒壞。

通過對爆口過熱器管所做的理化檢驗分析，認為造成過熱器管爆口原因如下：

（1）發生爆裂的管子正是位于屏式過熱器的外圈，爆口靠近水平管向垂直管轉彎的外圓弧處。這個地方本身在屏式過熱器制作加工過程中，由于彎管的原因會使該處管壁厚度有所減薄，尤其是在彎頭外圓弧處，因此，該處與其它部位管子（如直管段）相比，強度要低些；同時，由于彎頭外圓弧的原因，該處又存在較高的拉應力。

（2）過熱器管在長期高溫高壓條件下運行，原來在室溫下穩定的組織（回火貝氏體），也會產生很大的變化（發生老化），隨著老化程度的嚴重，管子的強度也在不斷下降，并會形成蠕變裂紋，蠕變裂紋的發生和發展，又會造成管子強度的進一步下降。

（3）過熱器管在高溫下長期運行，在管子的外、內表面都形成了很厚的氧化皮，氧化皮的存在一方面會影響管壁的熱傳導，使該部位發生超溫過熱，加速管壁組織的進一步老化，而降低管子的強度；另一方面氧化皮的不斷生長，也會不斷減薄管子的有效壁厚而降低管子的強度。

（4）由于生成的氧化皮與金屬管子母材的熱膨脹系數有較大的差別，當氧化皮厚度達到一定時，就會開裂。形成的高溫氧化裂紋不僅會使裂紋尖端的母材進一步深入氧化，而且會成為裂紋源并造成裂紋尖端的應力進一步集中，從而加速裂紋的擴展。

綜上所述，認為過熱器管發生爆管的原因是長期局部過熱導致管壁組織老化并形成蠕變裂紋和高溫氧化局部應力過大等共同作用的結果。高溫氧化裂紋和蠕變裂紋共同作用產生裂紋源，讓應力使得裂紋進一步擴展，當無法承受內部壓力時最終發生爆管。

6 結論

（1）過熱器管材質符合12Cr2MoWVTiB鋼的標準要求。

（2）該過熱器管經過長期運行，其內、外管壁表面都發生了嚴重的氧化，形成了很厚的氧化層；過熱器管管壁組織為回火貝氏體；爆口處管壁組織已經嚴重老化（5級），離爆口較遠處的管壁組織的老化程度也達到了3~4級即屬于中度老化~完全老化。

（3）該過熱器管的爆管性質為長時過熱爆管。