高溫過熱器蛇形管開裂分析及對策*

鄭 軍 何鑫業 丁 敏

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.中國特種設備檢測研究院)

高溫過熱器蛇形管開裂分析及對策*

鄭 軍**1何鑫業1丁 敏2

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.中國特種設備檢測研究院)

通過宏觀檢驗、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡斷口分析以及能譜分析等方法，對某廠動力車間鍋爐高溫過熱器蛇形管開裂失效原因進行了分析。結果表明: 高溫過熱器蛇形管是在局部長期超溫的條件下，材料發生了珠光體球化和石墨化并受到管內介質沖刷磨損減薄，內壁周邊發生軸向裂紋缺陷，最終使得高溫過熱器蛇形管的性能下降，從而產生失效開裂。

高溫過熱器 蛇形管 12Cr1MoVG 石墨化 開裂

12Cr1MoVG因具有較高的耐高溫持久強度、良好的工藝性能而被廣泛應用于工作溫度不超過580℃的鍋爐過熱器、再熱器、工作溫度不超過565℃的集箱以及高壓管道等部位。2010年上半年某廠動力車間鍋爐高溫過熱器多次發生設備故障，被迫緊急停車。先后多次對鍋爐高溫過熱器進行了改造維修，6月份由于鍋爐高溫過熱器蛇形管再次發生多處爆裂，停車并更換了過熱器的所有爐管，但使用不到3個月蛇形管彎管部位又出現兩處開裂，造成嚴重的經濟損失。為此，受業主委托，筆者對開裂管段取樣分析，提出了防護建議和對策。

1 宏觀檢查

高溫過熱器工作壓力(管內)9.81MPa，工作溫度(管內)550℃，管內介質為蒸汽，管外介質為煙氣(含SO2、CO、CO2及NOx等)。裂紋位于彎管外側，沿軸向裂開，管段外表面存在厚0.4～0.6mm的黑色氧化皮和大量點蝕坑。管段內表面附有較厚黑色腐蝕產物，開裂部位沿軸向呈梭形位于彎管背部，裂口長約50mm，最寬處約7mm，裂口內壁周邊發現有大量軸向裂紋，呈直線狀近似平行排列，深度較淺。開裂部位發現明顯鼓脹，鼓脹高度最大約5mm，開裂部位管壁減薄，宏觀斷口無金屬光澤。

2 理化分析

2.1壁厚及硬度測定

該蛇形管的標稱尺寸為φ38mm×4.5mm，通過卡尺及超聲波壁厚測定，該管的彎管部位明顯減薄，斷面實測最小壁厚為3.0mm；彎管背部最小壁厚為3.21mm；彎管側部最小壁厚為3.73mm；直段最小壁厚為3.92mm。

實測壁厚數據表明：更換投用后的蛇形管的彎管部位明顯減薄，減薄量已接近標稱尺寸的三分之一。

分別在直管段和彎管部位進行了硬度測定，其值在HB115～168之間，符合相關標準。

2.2材料成分光譜分析

對鋼管外表面清理后進行光譜分析，測試結果及標準值見表1,分析表明：開裂管段材料成分符合標稱材料(12Cr1MoVG)元素含量標準值(GB 5310-2008)。

表1 光譜分析數據 %

2.3斷口掃描電鏡及腐蝕產物X射線能譜分析

在蛇形管彎管開裂部位進行取樣(圖1)，對其中的1#樣品進行掃描電子顯微鏡及X射線能譜分析。如圖2所示，對1#樣品進行分區：樣品外表面(壁)、樣品內表面(壁)、斷口開裂區(黑色區域，A區)、斷口過渡區(灰色區域，B區)以及斷口撕裂區(銀灰色區域，C區)。

圖1 宏觀取樣

圖2 1#樣品分析部位分區圖

用掃描電子顯微鏡觀察1#樣品外表面(壁)形貌如圖3所示，外表面(壁)存在大量點蝕坑，并分布有較多氧化物夾雜。X射線能譜分析結果顯示S含量較高，這與管外介質中S含量較高有關。

圖3 1#樣品外表面(壁)形貌 ×100

用掃描電子顯微鏡觀察1#樣品內表面(壁)形貌如圖4所示，內表面(壁)附有較厚黑色腐蝕產物，大量直線狀裂紋沿裂口周邊軸向近似平行排列，裂紋較淺，呈現高溫爆裂裂口特征。

圖4 1#樣品內表面(壁)形貌 ×100

掃描電子顯微鏡觀察1#樣品A區斷口形貌如圖5所示，斷口呈現瞬時脆斷特征，且表面附著有大量腐蝕產物。能譜分析顯示Ca含量較高。

圖5 1#樣品A區形貌 ×200

掃描電子顯微鏡觀察1#樣品過渡區(B區)斷口形貌如圖6所示，斷口可觀察到明顯臺階狀特征，偏向開裂區一側有較多氧化產物，偏向撕裂區一側可觀察到明顯的石墨化孔洞。

圖6 過渡區形貌(B區) ×200

掃描電子顯微鏡觀察1#樣品撕裂區(C區)斷口形貌如圖7所示，斷口形貌呈沿晶破裂特征，可明顯觀察到大量石墨化孔洞。

圖7 撕裂區形貌(C區) ×100

2.4金相分析

對2#樣品進行取樣、磨制和拋光，取樣部位如圖8所示，金相照片如圖9所示。從2#樣品徑向截面觀察大量碳化物高度彌散于晶內及晶界，并聚集長大，組織出現大量珠光體球化和石墨化黑色孔洞；主裂紋由管外向內呈臺階狀擴展，裂紋附近碳化物聚集更加明顯。

a. 珠光體球化和石墨化形態 ×400

b. 主裂紋由管外向內擴展 ×100

c. 主裂紋裂紋尖端形態 ×400

3 原因分析

按照設計要求，供貨規格應為φ38mm×4.5mm，而彎管成型后彎管部位壁厚偏薄。動力車間鍋爐高溫過熱器蛇形管是在局部長期超溫的條件下材料發生了珠光體球化和石墨化，從而產生的失效開裂。

管內蒸汽介質不純、品質不高導致內壁結垢嚴重，對管壁溫度的升高起到了一定的促進作用。管內蒸汽溫度550℃，管外煙氣溫度達600℃以上，形成由管外向管內的溫度梯差；彎管位于向火面，長期高溫，管內污垢和管外氧化皮又進一步抑制了熱量的擴散，造成局部長期超溫，使得彎管部位金屬失效。

安裝產生的應力、工作時管內蒸汽環向薄膜應力和由載荷、振動引起的應力及溫差作用而產生的熱應力等相互疊加也是導致換熱管開裂的因素。

4 建議對策

4.1要求制造廠商所使用的鋼管成型后彎管部位規格應達到設計要求的φ38mm×4.5mm，以保證強度要求。

4.2嚴格控制管內的蒸汽溫度及管外的煙氣溫度，盡可能降低管壁溫度梯度差，采取適當的措施防止蛇形管外壁氧化；采取措施對蛇形管的壁溫進行監測，避免局部長時間超溫運行而導致管壁金屬蠕變失效。

4.3加強日常的生產和工藝管理，定期分析化驗鍋爐水水質，了解其雜質含量是否符合相關標準，改善水質的控制措施和處理手段，減少雜質元素，定期清理管內污垢，防止管壁溫度升高造成超溫爆管。

4.4加強綜合治理，對該鍋爐高溫過熱器蛇形管部位進行系統熱分布的檢測，通過各組各排彎管顏色、氧化皮形態、管徑的變化、抽樣割管檢測以及金相分析等方法，掌握了過熱器蛇形管超溫過熱的范圍并配合工藝、設計和制造維護各專業部門提出合理的整改方案，通過變更材料、改變結構和煙氣流的分布，改進了供水質量，至今再未發生爆管事件。

*質檢公益性行業科研專項(201410028)。

**鄭 軍，男，1983年2月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

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