C鍋爐低溫過熱器管開裂分析及對策

王文超 楊菁華

(1. 蘭州藍星有限公司；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司化學工業設備質量監督檢驗中心)

化工設備在長期超負荷(溫度、壓力)運行過程中，必然造成材料的損傷，使設備組成件產生腐蝕、減薄及開裂等，導致泄漏、中毒、火災甚至爆炸事故頻發，從而使企業被迫停車，近年來化工設備的高溫失效尤其嚴重[1]，直接影響了生產的正常進行。筆者針對某廠C鍋爐低溫過熱器管的開裂情況，從宏觀和微觀兩個方面，通過金相分析、斷口掃描電鏡分析和X射線能譜分析方法對爆管部位進行了分析研究，并對該類失效形式提出了幾點預防建議及對策。

1 設備概況

2010年上半年某廠動力車間C鍋爐低溫過熱器管多次發生爆管事故，被迫緊急停車，先后3次對C鍋爐低溫過熱器進行了停車檢修。但在同年7月份，C鍋爐低溫過熱器管再次發生多處爆裂，為了實現安全長周期的運行，廠方更換了過熱器的所有盤管，但在使用不到3個月的時間里，低溫過熱器管直管段又出現兩處開裂，造成嚴重的經濟損失。

低溫過熱器管的技術條件如下：

管內壓力 9.8MPa

管內溫度 300～400℃

管外溫度 550～750℃

管內介質 蒸汽

管外介質 煙氣(含SO2、CO、CO2、NOx等)

材料 20G

規格φ42mm×4.0mm

2 宏觀檢查與測定

C鍋爐低溫過熱器開裂直管段公稱尺寸為φ42mm×4.0mm，管段內外表面均附著有較厚的黑色腐蝕產物，由于長期受到管外高溫煙氣沖刷，管段受火表面沿軸向有大量金屬脫落，寬度約50mm(弧長)，并分布有大量軸向裂紋，呈直線狀平行排列,開裂部位沿軸向呈梭形位于該范圍中央(圖1)，裂口長約50mm，最寬處約7mm，開裂部位發現明顯鼓脹，鼓脹高度最大約8mm，開裂部位管壁減薄，宏觀斷口無金屬光澤，外觀呈現超溫爆管特征；管段外表面煙氣沖刷范圍對應的內表面范圍較光滑，也分布有大量軸向裂紋，深度較淺。

圖1 C鍋爐低溫過熱器開裂直管段檢測部位示意圖

開裂直管段受高溫煙氣沖刷范圍內壁厚明顯減薄，實測最小壁厚為2.8mm；開裂直管段外表面受高溫煙氣沖刷范圍內硬度普遍較小，其值在HB151～170之間。

經光電發射光譜分析，C鍋爐低溫過熱器開裂直管段材料成分見表1。

表1 管材成分光譜分析數據

注：實測值為四點測試平均值。

由表1可知，開裂管段材料成分符合標稱材料(20G)元素含量標準值(GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》)。

3 微觀分析

在低溫過熱器管開裂部位進行取樣，對其中的1#樣品和2#樣品進行掃描電子顯微鏡觀察(圖2)與X射線能譜分析。

a. 1#樣品外表面

b. 1#樣品內表面

c. 1#樣品斷口邊沿微裂紋區

d. 1#樣品斷口開裂區

e. 1#樣品斷口過渡區

f. 1#樣品斷口撕裂區

g. 2#樣品徑向截面圖2 掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌

1#樣品外表面附著有較厚的黑色氧化層(圖2a)，分布有大量長寬不等的軸向裂紋，基本呈直線狀平行排列，開裂方向垂直于管壁，裂紋周圍分布有大量脫落的金屬碎片和球化物，能譜分析S含量較高；1#樣品內表面有一層致密的腐蝕產物膜(圖2b)，沒有發現脫落的金屬碎片，直線狀主裂紋沿軸向平行排列，裂紋較窄，并伴有樹枝狀的支裂紋，裂口兩側面附著有較厚團絮狀腐蝕產物；1#樣品主裂紋斷口邊沿發現有起源于外壁的窄淺的微裂紋(圖2c)，通過能譜分析該裂紋內夾有脫落的金屬碎片；1#樣品斷口黑色區域為開裂區，斷口形貌呈沿晶開裂特征(圖2d)，表面附著有氧化物，并且可以明顯觀察到大量球化石墨脫離基體后形成的空洞，斷口處存在二次裂紋；1#樣品斷口灰黑色區域為過渡區，斷口形貌呈沿晶+穿晶開裂特征(圖2e)，可觀察到明顯臺階狀特征，偏向開裂區一側有較多氧化物，偏向撕裂區一側石墨化形態更加明顯；1#樣品斷口銀灰色區域為撕裂區，斷口形貌呈沿晶開裂特征(圖2f)，可明顯觀察到嚴重的石墨化形態，大部分石墨化球分布于基體中；2#樣品徑向截面研磨拋光后可觀察到裂紋呈直線狀延伸(圖2g)，并伴有二次裂紋產生。

對2#樣品的徑向截面進行磨制、拋光，并用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，進行金相分析(圖3)。

a. 裂紋宏觀形貌 ×50

b. 樣品組織石墨化及碳化物聚集 ×400圖3 2#樣品金相分析照片

金相顯微鏡從2#樣品徑向截面低倍下觀察到裂紋呈直線狀擴展，并伴有二次裂紋產生；徑向截面未開裂區域內大量碳化物高度彌散于晶內及晶界，并聚集長大，組織出現珠光體球化和石墨化黑色空洞。

4 結果與對策

過熱器管受火面一側(外壁)長期在550～750℃高溫煙氣的沖刷下運行，加速了受火面一側金屬的氧化和脫落，同時高溫下20G會發生球化、石墨化與蠕變，使材料的力學性明顯下降；由掃描電鏡和能譜分析可知，管內蒸汽品質不高，使得管內壁積垢嚴重，降低了換熱效率；管內蒸汽溫度300～400℃，管外受火面一側煙氣溫度達550～750℃以上，形成由管外向管內的溫度梯差，使直管段產生了一定的熱應力。因此，20G不適宜在420℃以上的溫度下使用。

另外，嚴格控制管內的蒸汽溫度及管外的煙氣溫度，采取適當的措施防止管外壁氧化[2]；應對管壁的溫度進行實時監測，避免局部長時間超溫運行而導致管壁金屬發生球化、石墨化及蠕變失效；加強日常的生產和工藝管理，定期分析化驗鍋爐水的水質，改善水質的控制措施和處理手段，減少雜質元素，定期清洗管內污垢，防止管壁溫度升高造成超溫爆管[3]。

5 結束語

通過對樣品的綜合檢查分析，C鍋爐低溫過熱器管開裂部位呈現碳素鋼在長期超溫運行環境下外表面局部氧化脫碳，組織出現嚴重球化、石墨化與蠕變的現象，使過熱器管材劣化，力學性能下降。再加之，蒸汽品質不高，使管內壁結垢后降低了換熱效率，從而導致過熱器管爆裂失效。

[1] 吳磊，顧昌.1025t/h鍋爐高溫過熱器爆管原因分析[J].湖北電力, 2004, 28(1): 23～24.

[2] 程紹兵,譚昌友.大容量鍋爐高溫受熱面超溫失效原因及對策[J].廣東電力, 2004, 17(2): 38～41.

[3] 趙志農. 腐蝕失效分析案例[M].北京：化學工業出版社，2009.