蒸汽過熱器換熱管爆管失效原因分析

曹海平，張紫平，康善嬌

(大唐國際化工技術研究院有限公司，北京 100070)

蒸汽過熱器換熱管爆管失效原因分析

曹海平，張紫平，康善嬌

(大唐國際化工技術研究院有限公司，北京 100070)

針對某企業蒸汽過熱器12Cr1MoVG鋼換熱管在服役過程中出現的爆裂失效現象，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散譜(EDS)對12Cr1MoVG鋼管基體低倍組織觀察、非金屬夾雜物分析、顯微組織觀察和晶粒度評級，分析了鋼管表面腐蝕產物層顯微組織及成分，結合斷口表面形貌和裂紋前沿腐蝕產物進行成分分析，指出煙氣側S元素造成的高溫硫腐蝕是導致蒸汽過熱器爆管的主要原因。另外，換熱管顯微組織中出現黃塊狀組織，導致換熱管力學性能下降，是蒸汽過熱器爆管的次要原因。

蒸汽過熱器；開裂；失效分析；12Cr1MoVG鋼

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.004

根據某企業蒸汽過熱器設計要求，殼層內輸送煙氣，進出口溫度為485～800℃，最大壓力設計為0.005MPa(g)，正常工作壓力為0.002 5MPa(g)；而管程輸送蒸汽，進出口溫度為261.4～435℃，設計最大壓力為5.2MPa(g)，正常工作壓力為4.6MPa(g)。換熱管材質為12Cr1MoVG，制造標準按照國家GB5310—2008標準執行[1]。在服役過程中，發生了12Cr1MoVG換熱管開裂的現象，影響了蒸汽過熱器的正常工作和生產線的穩定運行。近年來，國內有不少企業陸續發生了多起蒸汽過熱器管爆裂事故，也進行了相關原因分析[2-5]，歸結為沉積物堵塞、高溫硫腐蝕、操作不當等。為了尋找12Cr1MoVG換熱管開裂的原因，消除安全生產的隱患，保證企業生產平穩、安全運行，提高企業的生產效益，對開裂后的12Cr1MoVG鋼管進行了失效分析，指出了硫化腐蝕是換熱管失效的主要原因。

1 實驗方法

采用LEXT 3D激光測量顯微鏡對12Cr1MoVG鋼管開裂區域管材低倍金相組織進行了剖析，分析了金相中的非金屬夾雜物、顯微組織及晶粒度等級。

利用LEICA S440i掃描電子顯微鏡(工作電壓200～300V；分辨率3.5nm；5軸馬達樣品臺移動范圍：X為100mm，Y為125mm，Z為35mm)分析了斷口表面形貌和裂紋前沿腐蝕產物成分。

2 結果與討論

2.1 低倍組織觀察

對蒸汽過熱器管束樣品正常部位和斷口部位進行低倍金相組織觀察，鋼管低倍檢驗橫截面酸浸試樣上沒有肉眼可見的白點、夾雜、皮下氣泡、翻皮和分層現象。

2.2 非金屬夾雜物分析

根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》中的A法評級標準，對蒸汽過熱器管束爆裂口附近部位的縱截面進行了夾雜物檢測，縱截面金相組織見圖1。

圖1 蒸汽過熱器管斷口附近的縱截面(標尺：400μm)

經過分析，12Cr1MoVG鋼中夾雜物類型及級別見表1，對照GB/T 10561—2005評級標準來看，蒸汽過熱器管束12Cr1MoVG鋼的夾雜物級別符合GB/T 10561—2005的評級標準要求。

表1 12Cr1MoVG鋼中夾雜物評級

2.3 顯微組織及晶粒度評級

蒸汽過熱器管束樣品正常部位和斷口部位的金相組織形貌(OM)見圖2，其金相組織類型及晶粒度評級結果見表2。

表2 12Cr1MoVG鋼管樣和斷口的金相組織及晶粒度評級

注：F為鐵素體，P為珠光體。

圖2 管樣內部組織(左)和斷口部位組織(右)(標尺40μm) 注：圖中深顏色組織為黃塊狀組織

根據GB5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG鋼顯微組織的要求，其顯微組織應為鐵素體加粒狀貝氏體/鐵素體加珠光體或鐵素體加粒狀貝氏體加珠光體，允許存在索氏體，但是不允許存在相變臨界溫度AC1～AC3之間的不完全相變產物(如黃塊狀組織)，而送檢樣品中恰恰存在了黃塊狀組織，因此根據GB5310—2008標準要求，送檢物的顯微組織不符合國家標準。

利用LEICA S440i掃描電子顯微鏡對腐蝕后的金相樣品進行了微觀組織觀察，微觀組織形貌見圖3，可以看出，基體組織由鐵素體、珠光體和塊狀組織3部分組成。凹陷的為鐵素體，貝紋狀組織為珠光體，而凸起的部分為塊狀組織，也就是光學顯微鏡下觀察到的黃色塊狀組織。經過EDS能譜分析發現，黃色塊狀組織的C、Cr含量比基體高(見表3)，因此，該組織應該是馬氏體或者是馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體的混合物，EDS分析結果見表3。

圖3 掃描電子顯微鏡下的金相組織微觀組織形貌

項目CCr基體/%2．621．28黃色塊狀組織/%6．241．92

2.4 裂紋斷口分析

腐蝕產物表面形貌(見圖4)可以看出，12Cr1MoVG鋼管斷口表面顯微組織疏松、多孔，伴隨著很多顯微裂紋，從006點EDS分析結果勘查，S體積分數高達1.04%，O體積分數為23.27%。這些腐蝕產物成分信息與基體發生的以氧化為主、硫化腐蝕加速的過程機理是相吻合的，在后面的截面腐蝕產物分析中進一步證實了這一點。

圖4 爆管斷口表面腐蝕產物SEM顯微形貌及EDS分析(點006)

2.5 腐蝕產物層SEM觀察及成分分析

12Cr1MoVG鋼管外腐蝕產物微觀組織形貌SEM照片見圖5，從圖中可以看出，腐蝕產物層是多層產物，分外層、中間層和內層，內層與金屬基體間存在裂縫。利用EDS能譜對圖5中的1、2、3、4點分別進行了元素分析，結果見圖6。

圖5 管樣外壁腐蝕產物SEM微觀形貌

圖6 腐蝕產物EDS能譜分析結果(A：點1，B：點2，C：點3，D：點4)

從管外腐蝕產物能譜元素分析結果(見圖6)可以看出，最外層的腐蝕產物(點1)主要含Fe、O兩種元素，從原子比例推斷此氧化物應該為Fe3O4，并含有少量有害元素S；次外層(點2)主要腐蝕產物也是Fe、O兩種元素，但其原子比值非常接近1∶1，因此應該是FeO(1-x)相；到了點3的位置，腐蝕產物中除了Fe、O兩種主要元素外，明顯多出了有害元素S，體積分數為1.57%；在最內層腐蝕產物與金屬基體的界面附件，腐蝕產物主要有Fe、O、S、Cr、Si、Mn、V，在腐蝕產物中有害元素S的體積分數進一步增加到10.26%；同時，有害元素V體積分數達到1.08%，雖然抵抗腐蝕的有益元素Cr體積分數達到6.12%、Si體積分數達到1.25%，但也不足以抵御高溫下有害元素S引起的腐蝕。

2.6 裂紋前沿腐蝕產物SEM分析

截取爆管裂紋前沿組織，進行掃描并置于電子顯微鏡下觀察，微觀形貌見圖7。從圖中可以看出，裂紋前沿端部發生強烈的塑性變形，顯微組織呈現拉伸的現象，而且裂紋間有腐蝕產物生成，經EDS元素分析，腐蝕產物基本上是Fe的氧化物，而有害元素S并未檢測到，這說明由于此部位為裂紋擴展前沿，裂紋擴展速度遠大于腐蝕性元素擴散速度，殼層氣氛中的有害元素S還沒有來得及擴散到這個位置，所以此部位僅有鐵的氧化物生成。

圖7 爆管斷口裂紋前沿SEM形貌及裂紋處的腐蝕產物EDS分析(A點)

3 結語

根據低倍金相組織觀察、夾雜物評價、微觀組織分析、晶粒度評級，結合掃面電子顯微鏡下對換熱管微觀組織形貌、管外側腐蝕產物形貌及元素成分分析、斷口表面成分分析、裂紋擴展前沿腐蝕產物成分分析，判斷出造成蒸汽過熱器管束爆管的2個原因。

(1)殼層煙氣中存在有害S元素，高溫下換熱管外側產生硫腐蝕，造成過熱器管壁減薄，在換熱管內高壓蒸汽作用下局部減薄區域發生鼓包、膨脹，最終導致爆管。因此，煙氣側S元素造成的高溫硫腐蝕是導致蒸汽過熱器爆管的主要原因。

(2)換熱管顯微組織中出現黃塊狀組織，導致換熱管力學性能下降，這是蒸汽過熱器爆管的次要原因。

[1] GB5310-2008，高壓鍋爐用無縫鋼管[S].

[2] 王建江.電站鍋爐蒸汽過熱器爆管的原因初析與預防措施[J].中國科技信息，2006，17(2)：127.

[3] 閻高倫.蒸汽過熱器爐管爆裂原因的分析[J].石油化工設備，1995，23(5):54-55.

[4] 李珣，姜放，王秦晉.蒸汽過熱器管失效分析[J].化工設備與管道,2007，43(6)：40-42,49.

[5] 姜偉.硫磺尾氣焚燒爐蒸汽過熱器失效分析[J].石油化工設備,2012，40(5)：105-108.

Analysis of Burst Failure of Heat Transfer Tube of Steam Super-Heater

CAO Hai-ping，ZHANG Zi-ping，KANG Shan-jiao

(DatangInternationalChemicalTechnologyResearchInstituteCo.，Ltd.，Beijing100070China)

For the burst failure of 12Cr1MoVG steel heat transfer of the steam super-heater in service，optical microscope，scanning electron microscope (SEM)，energy dispersive spectroscopy (EDS) are used to observe the 12 Cr1MoVG steel matrix macrostructure and microstructure，analyze the non-metallic inclusion and rate grain size.This paper analyzes the microstructure and composition of the corrosion product layer on the surface of the steel pipe.According to the fracture surface shape and component analysis of the corrosion crack front，it also points out that the high temperature corrosion caused by the element of S on the flue gas side is mainly responsible for the burst of steam super-heater tube.In addition，the secondary cause is that the yellow block tissue appearing in the microstructure of heat transfer tube leads to the degradation of mechanical properties.Keywords： steam super-heater；crack；failure analysis；12Cr1MoVG steel

曹海平(1969年—)，男，河北張家口人，1995年畢業于河北機電學院塑性成型專業，工程師，現主要從事煤化工設備的研究。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.004

TB303

B

1004-8901(2017)01-0013-04

2016-09-26