鍋爐水冷壁過熱管穿孔失效原因

李榮之，王建元，歐紅燕，張全新

(重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084)

某公司垃圾焚燒發電機組的鍋爐水冷壁過熱管自投入使用以來，多次發生穿孔爆管事故，每次都是采取緊急措施對鋼管穿孔部位進行堆焊修補，每次發生穿孔的部位不同，穿孔造成鍋爐水管泄漏，嚴重影響機組安全穩定運行。失效鍋爐水冷壁過熱管的材料為20G鋼，管規格為φ38 mm×3.5 mm，鋼管成型工藝為熱軋，熱處理狀態為正火。管內介質為水和過熱蒸汽，壓力為4.78 MPa，溫度約400 ℃，管外為高溫煙氣，爐內煙氣溫度約800 ℃，高溫煙氣和管內蒸汽通過水冷壁過熱管進行熱交換。為了查找鍋爐水冷壁過熱管穿孔失效原因，避免再次出現此類問題，筆者對失效過熱管進行了取樣檢驗，并結合過熱管的服役環境和檢驗結果對過熱管失效的原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

先對兩種鋼管樣件進行對比分析，一種是較為完好的原樣管(遠離高溫煙氣)，另一種為已發生明顯穿孔的失效過熱管(靠近高溫煙氣)，如圖1所示。發生穿孔的失效過熱管有兩件，其中一件有明顯穿透孔洞，孔徑約10 mm，另一件裂紋剛剛穿透管壁，未見明顯擴展。發生穿孔的過熱管表面有較厚積灰，過熱管內壁有較厚沉積物，過熱管內外氧化銹蝕現象較為嚴重，連接過熱管的鰭片氧化銹蝕也十分嚴重。同時，在穿孔處過熱管有明顯鼓包現象，管徑明顯膨脹，壁厚明顯減薄，從該部位附近截取樣品測量外徑，實測結果為43.5 mm，壁厚僅為0.82 mm。較為完好的原樣管未見穿孔，無明顯氧化銹蝕，原樣管未見鼓包膨脹現象，其外徑實測結果為38.04 mm，壁厚為3.60 mm，符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中鍋爐管外徑及壁厚尺寸的允許偏差規定范圍。

1.2 化學成分分析

使用SPECTRO LAB型直讀光譜儀及CS-206型紅外碳硫儀對失效過熱管進行化學成分分析，結果見表1。可見其化學成分滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20G鋼管的成分要求。

1.3 拉伸性能試驗

在原樣管無焊接鰭片的部位沿縱向剖取弧形試樣，使用CMT 1505型電子萬能試驗機對其進行拉伸試驗，結果見表2。可見其拉伸性能滿足GB/T 5310—2017的技術要求。

表2 原樣管的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the original pipe

1.4 硬度測試

分別對原樣管和失效過熱管穿孔部位取樣，使用HV-10B型維氏硬度計對其進行硬度測試，結果見表3，可見失效過熱管的硬度明顯低于原樣管的。

表3 過熱管的硬度測試結果Tab.3 Hardness test results of the superheat pipes HV5

1.5 金相檢驗

分別在原樣管和失效過熱管穿孔部位取樣，磨制成金相試樣，經拋光后采用QLYMPUS GX71型金相顯微鏡對其進行觀察。首先對過熱管的非金屬夾雜物進行檢測，觀察發現原樣管和失效過熱管的非金屬夾雜物含量和級別均較低，按照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》進行評定，其級別為A1.0，B1.0，C0.5，D1.0級，如圖2所示。試樣經4%(體積分數)硝酸酒精溶液浸蝕后，觀察發現原樣管顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為9級，組織較為均勻，珠光體形態完好，如圖3所示。失效過熱管的顯微組織也為鐵素體+珠光體，但珠光體已發生明顯球化，局部區域已完全球化，沿晶界存在較多的顆粒狀和片狀游離滲碳體，按照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》評定，其滲碳體級別為3.0級。同時失效過熱管的晶粒相對原樣管已明顯粗化，其級別為5.5級，如圖4所示。

圖2 不同過熱管的非金屬夾雜物形貌Fig.2 Morphology of non-metallic inclusions in the different superheater pipes:a)the original pipe;b)the failure pipe

圖3 原樣管的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the original pipe:a)at low magnification;b)at high magnification

圖4 失效管的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the failure pipe:a)at low magnification;b)at high magnification

2 分析與討論

水冷壁過熱管是鍋爐的主要受熱部件，由數排鋼管組成，分布于鍋爐爐膛四周，管內為流動的水或過熱蒸汽。水冷壁過熱管吸收爐膛高溫火焰或煙氣的輻射熱量，同時降低爐墻溫度，保護爐墻。鍋爐水冷壁過熱管的工作條件比較惡劣，除了承受高溫高壓作用外，還受到工作介質和煙氣的腐蝕，容易造成過熱管爆管失效，發生泄漏，鍋爐水管一旦泄漏將嚴重影響機組安全穩定運行。

從以上理化檢驗結果來看，過熱管的化學成分符合GB/T 5310—2017對20G鋼管的要求，過熱管的力學性能、非金屬夾雜、晶粒度級別等指標也未見異常，均符合標準規定。由金相檢驗結果可知，失效過熱管晶粒已明顯粗化，同時珠光體已發生明顯球化，局部區域已完全球化，沿晶界存在較多的顆粒狀和片狀游離滲碳體，這說明失效過熱管長期受到高溫作用，使碳化物發生球化，珠光體形成團狀，晶粒也逐漸長大[1-3]。由失效過熱管與原樣管的硬度測試結果可知，失效過熱管長期經受高溫作用，其顯微組織已經球化和粗化，因此硬度也明顯低于原樣管[4]。同時，失效過熱管的鋼管外壁及鰭片處氧化現象較為嚴重，管壁明顯減薄，說明失效過熱管長期承受氧化腐蝕作用[5]。

該鍋爐水冷壁過熱管的材料為20G鋼，一般來說，這種材料在工作溫度450 ℃以下長期工作是比較安全的，當超過該溫度時，其顯微組織將發生明顯改變，強度也將下降。20G鋼管長期處于450～550 ℃時，珠光體組織將發生球化，顯微組織為鐵素體+細粒狀球化珠光體，如果管壁溫度長期處于600～700 ℃，顯微組織中將出現沿晶分布的顆粒狀和片狀游離滲碳體。失效過熱管的顯微組織中發現晶粒明顯粗化，珠光體明顯球化，且沿晶存在較多的顆粒狀和片狀游離滲碳體，從這一點可以確定該批20G鋼鍋爐水冷壁過熱管長期處于450 ℃以上的高溫過熱狀態，局部區域的管壁溫度達到或超過600 ℃[6-7]。

鍋爐水冷壁過熱管的管壁是爐內高溫介質與管內介質的熱交換界面，其一方面吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量，使管壁溫度很快上升，但同時又通過內部流動的水或蒸汽及時帶走熱量，使管壁溫度及時降低而不至于升至過高，始終使管壁處于安全的工作溫度范圍內，以確保鍋爐水冷壁的長期正常運行。如果爐內煙氣溫度較高，同時在水冷壁過熱管表面積灰和內壁水垢等沉積物較厚的情況下，過熱管內冷卻介質不能及時帶走熱量以充分冷卻水冷壁，未能充分平衡熱能，將致使水冷壁溫度上升，造成過熱管管壁長期承受高溫及氧化腐蝕作用。生產實踐表明，20G鋼管經過長期高溫作用，顯微組織惡化，將導致其室溫強度、高溫強度、持久壽命及硬度等力學性能降低，隨著管壁承受溫度的上升，特別是當碳化物擴散分布到鐵素體晶界沿晶形成游離滲碳體，達到完全球化程度后，強度和韌性會急劇下降，鋼管金屬已不再具有原來的強度，此時在管內高壓蒸汽工作壓力作用下，鋼管將發生塑性變形，同時鋼管管壁在高溫作用下受到更快更嚴重的氧化腐蝕而被逐漸減薄，過熱管在高溫與壓力的雙重作用下管徑逐漸膨脹，壁厚逐漸減薄，出現膨脹鼓包變形現象，最終導致過熱管的穿孔失效[8-10]。

3 結論及建議

失效過熱管長期處于450 ℃以上的高溫狀態，局部區域管壁溫度達到600 ℃，使過熱管長期承受高溫及氧化腐蝕作用，過熱管的珠光體組織發生明顯球化，局部完全球化，沿晶界存在較多游離滲碳體，顯微組織的惡化使過熱管的強度和力學性能下降；被腐蝕減薄的過熱管在管內壓力作用下膨脹變形，最終導致過熱管穿孔失效。

建議在鍋爐運行時，加強水冷壁過熱管的現場監測和風險排查，對管壁溫度進行在線監控，適時對過熱管外形尺寸進行測量，當發現過熱管外徑脹粗率超過規定值時應及時進行修復或更換。同時及時對過熱管表面積灰和管內沉積物進行清理，避免熱交換受阻使管壁溫度超高而導致過熱管組織性能惡化和氧化腐蝕，控制和減少穿孔失效風險。