鍋爐旋風分離器進口受熱面管爆裂原因分析

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(浙江省特種設備檢驗研究院, 杭州 310020)

質量控制與失效分析

鍋爐旋風分離器進口受熱面管爆裂原因分析

戈浩,金南輝,劉杰,趙立

(浙江省特種設備檢驗研究院, 杭州 310020)

通過宏觀分析、化學成分分析、力學性能試驗、金相檢驗、斷口掃描電鏡分析等方法對某鍋爐旋風分離器進口受熱面管爆裂原因進行了分析。結果表明：該鍋爐受熱面管爆裂是由長時間超溫運行導致的蠕變開裂造成的。最后根據爆管原因提出了預防措施。

鍋爐; 旋風分離器; 受熱面管; 爆裂; 長時間超溫; 蠕變

某鍋爐系杭州鍋爐廠制造，其蒸發量為130 t·h-1，過熱器出口壓力為9.8 MPa、溫度為540 ℃。旋風分離器進口煙道受熱面由汽包上部引出2根導汽管(規格DN150)，進入受熱面上集箱，經過13排爐管引入受熱面下集箱，再由2根導汽管(規格DN150)引入旋風分離器進口集箱，管組為膜片式，爐管規格為φ51 mm×5 mm，材料為20G鋼。爐管受熱側澆注防火耐磨層50 mm，爐管非受熱側保溫層厚度120 mm。自2007年12月投入運行至今，該鍋爐累計運行時間約7.5×104h。2016年1月13日，鍋爐處于低負荷運行狀態，其左側旋風分離器進口煙道爐管發生爆裂，鍋爐停爐檢修。為了查明該爐管的爆裂原因，防止類似事故的再次發生，筆者對爆裂爐管進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1宏觀分析

圖1 爆管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the bursting pipe

由圖1可以看到，受熱面管破口呈“魚嘴”狀，破口粗糙，邊緣較鈍，破口處管徑稍有漲粗，管壁減薄不大，在主破口旁邊還有若干小裂紋存在。鍋爐外表面由于澆注料的包裹，氧化皮并不多。利用GE公司XL Go+型內窺鏡觀察爐管內壁，可見很厚的氧化皮，如圖2和圖3所示。

圖2 破口處管內壁形貌Fig.2 Inner wall morphology of the pipe at the bursting position

圖3 爐管內壁形貌Fig.3 Inner wall morphology of the pipe

破口兩端窄、中間寬，說明爆裂起始于破口中部。破口外壁沒有氧化皮而內壁有很厚的氧化皮，且內壁小裂紋多于外壁的，說明爆裂是由管內壁向外壁擴展的。

1.2化學成分分析

利用ARL4460直讀光譜儀對爐管進行化學成分分析，結果見表1。可見爐管材料的化學成分符合GB 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20G鋼成分的技術要求。

表1 爐管的化學成分 (質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the pipe (mass fraction) %

1.3力學性能試驗

從遠離爐管破口處(距離破口約1.5 m)取樣，在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，結果見表2。可見爐管材料的力學性能符合GB 5310-2008對20G鋼的技術要求。

表2 爐管的力學性能Tab.2 Mechanical properties of the pipe

1.4金相檢驗

分別在爐管破口處以及破口附近取樣，經鑲嵌、打磨、拋光和4%(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕后，利用GX71型金相顯微鏡進行顯微組織觀察。由圖4和圖5可見，破口及破口附近爐管材料的顯微組織均為鐵素體+呈球粒狀分布的碳化物，片狀珠光體形態已完全消失，晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸長大，根據DL/T 674-1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》評定球化等級為5級，同時可以看到晶界上還存在蠕變孔洞。在遠離破口處(距破口約1.5 m)利用現場金相分析儀(型號PTI-5000)進行顯微組織觀察，結果顯示材料顯微組織正常，為鐵素體+珠光體，未見明顯的珠光體球化現象。

圖4 破口處顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology at the bursting position

圖5 破口附近顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology near the bursting position

1.5斷口掃描電鏡分析

將爐管爆裂斷口置于掃描電鏡(SEM)內觀察。由圖6可以看到，斷口表面覆蓋有厚厚的腐蝕產物，難以觀察斷口的細節特征，但是高倍條件下仍可見其具有沿晶脆性斷裂特征。

2 分析與討論

化學成分分析及力學性能試驗結果表明，爐管材料化學成分及力學性能均符合相關標準技術要求。

爐管內壁有很厚的氧化皮，破口及破口附近區域顯微組織中珠光體嚴重球化，說明爐管經歷了長時間的高溫運行，破口處顯微組織中未出現貝氏體、馬氏體等異常組織，說明超溫的溫度低于AC1(加熱時珠光體開始轉變為奧氏體的溫度)。爐管內壁氧化皮是由于水蒸氣在高溫下分解成氫和氧，金屬在高溫水蒸氣中發生氧化產生的[1]。氧化皮厚度與材料特性、運行時間、運行溫度等有密切的關系：氧化皮厚度隨著運行時間的延長基本呈線性增長關系，隨著溫度的升高呈加速上升趨勢，當金屬材料在接近和達到其最高允許溫度區域運行時，其影響極為顯著[2]。該鍋爐爐管可能因內壁氧化皮大量脫落，在彎頭等處聚集，造成管路堵塞，影響蒸汽流量，從而使管壁溫度升高。由于爐管爆裂后，業主在很短的時間內更換爆裂爐管，恢復生產，因此無法進行進一步的檢查，具體超溫原因還需要進一步查明。氧化皮導熱系數僅為母材金屬的十幾分之一[3]，氧化皮的熱阻較大，阻隔了蒸汽和管壁的熱量交換，從而導致管壁金屬溫度升高，加速了其氧化過程。

由爆管破口處的顯微組織可以看到蠕變孔洞和蠕變裂紋，掃描電鏡分析結果顯示爆裂斷口呈沿晶脆性斷裂特征，這些都說明爐管爆裂是由蠕變損傷導致的。當低碳鋼在450 ℃至AC1溫度下長期運行時，珠光體中的層片狀滲碳體因表面能較高而向能量較低的球狀滲碳體轉變(珠光體球化)，并逐漸聚集長大[4]。珠光體球化使材料的抗拉強度、屈服強度、蠕變強度和持久強度等降低，明顯加快蠕變速率。晶界上出現的蠕變孔洞，在應力的作用下不斷增多、長大、聚合，連接成微裂紋，微裂紋連通呈宏觀裂紋，直至爐管爆裂[5]。

3 結論及建議

爐管爆裂是由長時間超溫運行導致蠕變開裂造成的。爐管超溫可能是由內壁氧化皮脫落堵塞管道、影響蒸汽流量導致的，具體原因還需要進一步查明。

為防止類似爆管事故的再次發生，提出以下建議：嚴格控制煙氣及蒸汽流量和流速，避免超溫運行；鍋爐定期檢驗時，對爐管進行金相檢驗，顯微組織球化達到5級的爐管應更換；鍋爐定期檢驗時，可采用高頻超聲波氧化皮測厚技術[6-7]，測量爐管內壁的氧化皮厚度，內壁氧化皮厚度過大的爐管應及時更換。

[1] 王俊霖,劉敏,張萍,等.T91高溫過熱器管爆裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(9):618-621,624.

[2] 趙永寧,劉爽.102鋼高溫過熱器管內壁氧化皮脫落研究[J].熱加工工藝,2010,39(22):203-206.

[3] 蒙新明,張路,賴云亭,等.某超臨界機組鍋爐過熱器管爆管原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(5):353-357.

[4] 敖哲.鍋爐水冷壁爆管原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(4):296-298.

[5] 蔡文河,嚴蘇星.電站重要金屬部件的失效及其監督[M].北京:中國電力出版社,2009.

[6] 包文東,鄭坊平,崔雄華,等.超臨界鍋爐末級過熱器T91鋼管爆管原因分析及預防措施[J].理化檢驗-物理分冊,2012,48(10):704-707.

[7] 龍毅,謝國勝,楊湘偉.鍋爐爐管內壁氧化膜壁厚的測量[J].無損檢測,2006,28(11):569-572.

ReasonAnalysisonBurstingoftheInletHeatingSurfacePipeofaBoiler’sCycloneSeparator

GEHao,JINNanhui,LIUJie,ZHAOLi

(Zhejiang Province Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310020, China)

The bursting reasons of the inlet heating surface pipe of a boiler’s cyclone separator were analyzed by means of macro analysis, chemical composition analysis, mechanical property test, metallographic examination, fracture scanning electronic microscope analysis and so on. The results show that the bursting of the heating surface pipe of the boiler was induced by creep cracking because of long-time overtemperature running. Finally, preventive measures were put forward according to the bursting reasons of the pipe.

boiler; cyclone separator; heating surface pipe; bursting; long-term overtemperature; creep

TM621.2

B

1001-4012(2017)10-0765-03

10.11973/lhjy-wl201710016

2016-09-05

戈 浩(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事電廠金屬監督及無損檢測工作，gehao314@126.com