鍋爐過熱器管爆管失效分析

梁亞飛

華電電力科學研究院有限公司 浙江杭州 310030

火力發電是我國主要的電力來源，2018年火電占比為73．32%。電站鍋爐是火力發電的三大設備之一[1]。鍋爐管的失效經常影響鍋爐管的安全運行，因此分析鍋爐管失效的原因并提出相應的預防措施是十分重要的。

1 失效原因分析

1.1 宏觀檢查經檢查

背景介紹：某電廠過熱器出現爆管現象，經查閱原圖紙資料，該處過熱器設計材質為12Cr1MoV。

過熱器管外觀及斷口情況：研究發現，爆破管具有明顯的塑性變形，裂縫為縱向裂縫，裂縫在斷口處呈刀口狀，爆破口為尖喇叭形，具有韌性斷裂的特征。的缺口很大，爆管的內壁是干凈的，沒有明顯的腐蝕，斷裂的斷口表面光滑，表面有一層氧化層的破裂，已被剝掉的一部分。噴嘴管邊緣的厚度是2．8毫米，和氧化層現有噴嘴邊緣是0．2毫米。

圖1 失效過熱器管

圖2 爆口情況

1.2 硬度檢查

從管段開始研磨拋光，用MC10-HBS-3000形硬度測量器進行了布氏硬度試驗，結果顯示負荷為7．35kN，保持時間為15s，硬度平均為125．9HBW，與普通的12cr1mov鋼相比硬度顯著降低[2]。

1.3 拉伸試驗

在爆炸口附近的直管段試做取管的縱的拉伸，取4個地方的號碼進行拉伸實驗。耐拉強度和屈服強度幾乎不一致。耐拉強度明顯降低，斷后拉伸率與12cr1mov鋼的標準基本一致。結果見表1。

表1 拉伸試驗結果

1.4 化學成分分析

從過熱器管道提取塊狀樣品，用角磨削機磨成平面，由德國布魯克全譜火花直讀分光器Q4TASMAN對樣品進行化學成分分析的結果，表面2中顯示出了材料化學成分的質量分數（%）。根據標準GB5310-2017，在表3中示出了12cr1mov的化學成分。與此形成對比的是，石墨的成分與標準成分相差很大，特別是石墨中不含金屬釩（V）。結合了硬度和拉伸試驗的結果，判斷有安裝時的材質使用錯誤的可能性。

1.5 金相分析

故障加熱器的裂痕和從內部提取的兩個樣品（1#和2#）分別進行裝配加工，并由xq-2b裝配機裝配，然后經過粗磨、細磨、研磨、沖刷觀察樣品，并用DMI3000M型金相顯微鏡觀察。據試料金相介紹，管道微細組織主要是鐵素體和碳化物，珠光體的形態幾乎消失。

1.6 掃描電鏡分析

從過熱器管的爆炸口提取樣品，利用掃描鏡對爆炸口表面進行微細的形狀分析。發現煤化物剝落的孔，裂紋只擴大了1個，裂紋向晶界蔓延著。通過拉伸試驗得出的切口是在掃描電鏡下的形態，典型的韌韌形態的斷裂是延性斷裂[3]。氧化皮的主要成分是Fe3O4，從成分表中可以看出它含有大量的碳元素。從以上信息中可以看出，使用過熱管道的鋼材應該是錯誤的，而使用不當的鋼材被認為是15CrMoG。

1.7 原因分析

故障的主要原因是材料使用不當，由于使用了15crmog來代替12cr1mov鋼，材料的強度和抗氧化能力達不到要求，在管外容易發生氧化。當在管的外部存在氧化皮時，過熱器管吸收熱而不均勻，形成熱集中。

2 分析與討論

宏觀檢查結果表明，爆口口徑和脹粗量相對較小，爆口外表面氧化嚴重，部分氧化層出現剝落，爆口附近外壁存在大量沿鋼管縱向方向的平行裂紋。力學性能檢驗結果表明，過熱器管向火側屈服強度和硬度值都接近或低于標準要求下限值，而爆口附近的硬度值則明顯低于標準要求。掃描電鏡形貌結果表明，爆口處存在大量的宏觀及微觀蠕變裂紋，晶界處析出大量的碳化物；存在較多的空隙，這種空隙將加速氣相由外往內的傳輸。

表2 所測材質化學成分（質量分數）%

表3 12Cr1MoVG化學成分（質量分數）%

圖3 拉伸斷口

3 結語

過熱器管內壁在高溫和蒸汽環境下發生氧化，阻礙了蒸汽介質與管壁的熱量交換，使得管壁溫度升高，而溫度升高時又進一步加速內壁氧化皮的生長。具有分層結構的氧化皮層間結合力較差，同時氧化皮與基體金屬熱膨脹系數差異較大，并且隨著溫度的升高，鐵的氧化物熱膨脹系數逐漸增大，在啟停、運行中爐溫驟變及反復波動情況下，在蒸汽的吹刷下氧化皮容易發生剝落并在下彎管部位堆積，導致管子流通截面減少、介質流量降低而造成鋼管局部出現超溫過熱。