某余熱鍋爐低溫過熱器U型管爆管原因

湯鵬杰,梁 斌

(1.南京金創有色金屬科技發展有限公司,南京211178;2.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院,南京 210019)

12Cr1MoVG 鋼是在Cr-Mo鋼的基礎上,以少量的V元素代替部分Cr、Mo元素發展而來的。V元素在鋼中可以降低合金元素(主要是Mo)由鐵素體向碳化物擴散的速率,生成的VC可以起到彌散強化作用。該鋼具有較高的蠕變性能、持久強度和塑性,以及良好的抗高溫氧化性能和焊接性能,被廣泛應用于火電機組中運行溫度不超過540 ℃的集箱、蒸汽管道以及壁溫不超過580 ℃的過熱器、再熱器等高溫部件[1-2]。

2021年7月某公司新建余熱鍋爐在運行時出現主汽流量和主汽壓力下降的現象,過熱器與鍋筒壓差逐漸增大,減少對空排氣后主汽壓力仍未上升,遂采取緊急停爐。停爐檢查發現,多根低溫過熱器U型管(過熱管)已經斷裂,如圖1(a)所示。據了解,該鍋爐于2020年10月安裝,2021年6月投入試運行開始煮爐操作,之后正常投入運行,直至7月發生過熱器爆管,運行時間不足兩個月。過熱器校核工況如下:煙氣進口溫度為750 ℃,出口溫度為262 ℃,煙氣流量為40 800 Nm3/h;蒸汽溫度為400 ℃,壓力為2.45 MPa,蒸發量為17.9 t/h。過熱管材質為12Cr1MoVG鋼,冷彎成型,規格為38 mm×4 mm,執行標準為GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》。為查明爆管原因,避免此類事故再次發生,對斷裂過熱管進行失效分析。

圖1 斷裂過熱管的宏觀形貌

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀斷裂形貌分析

如圖1(b)所示:U型過熱管斷裂于彎曲段,為徑向斷裂;其外表面附著紅棕色氧化產物,較脆、易剝落,應為爆管后泄漏的蒸汽腐蝕產物;斷口及內壁存在大量白色物質,可能為水垢、腐蝕垢或其他沉積物。

將斷口完整切取,觀察發現斷口邊緣無減薄,也無明顯宏觀塑性變形,具有脆性斷裂特征,圖略。經草酸酸洗去除表面腐蝕產物后,在體視顯微鏡下觀察發現,斷口表面高低起伏,可見粗糙區和平滑區,粗糙區呈臺階狀,具有多裂紋交互特征,如圖1(c)所示。如圖1(d)所示,平滑區是裂紋受力后快速擴展形成的,隱約可見放射性條紋特征,在斷口內側還發現多條平行裂紋,推測過熱管爆管起裂于內壁。

1.2 化學成分分析

在斷裂過熱管上取樣進行化學成分分析,結果見表1。結果顯示,過熱管材質合格,化學成分滿足GB/T 5310-2017對12Cr1MoVG鋼的規定。

表1 斷裂過熱管的化學成分

1.3 力學性能測試

在斷裂過熱管直管段上取樣,依據標準GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分:高溫試驗方法》,分別進行室溫拉伸試驗和500 ℃拉伸試驗,見表2。結果顯示,過熱管室溫拉伸性能和高溫拉伸性能均符合標準GB/T 5310-2017對12Cr1MoVG鋼的規定。

表2 斷裂過熱管直管段的拉伸性能

分別在斷裂過熱管直管段和彎頭處取樣,在過熱管橫截面進行維氏硬度測試。由表3可見,彎頭硬度高于直管段,這是由于彎頭成型時產生了加工硬化,說明彎頭成型后內部存在較高的殘余應力。

表3 斷裂過熱管直管段和彎頭的維氏硬度

1.4 金相檢驗

分別在斷裂過熱管直管段和斷口處取樣,用ZEISS Scope.A1型顯微鏡進行金相檢驗,結果如圖2所示。結果顯示:斷口處顯微組織正常,與直管段組織無差異,均由鐵素體、珠光體和貝氏體組成,是12Cr1MoVG鋼正常正火組織;鐵素體晶粒度9級,珠光體形態完整,未見明顯球化、表面脫碳等劣化現象。

圖2 斷裂過熱管直管段和斷口處的顯微組織

如圖3所示:在斷口內壁可見較多細小裂紋,裂紋多萌生于內壁腐蝕凹坑,并沿壁厚方向擴展延伸;沿著主裂紋觀察發現,裂紋間存在腐蝕產物,兩側衍生較多二次裂紋,呈現樹枝狀分叉形貌;裂紋尖端尖銳,以沿晶擴展為主,少數呈穿晶形式擴展,具有典型的應力腐蝕開裂特征[3]。

圖3 過熱管斷口內部裂紋的微觀形貌

1.5 掃描電鏡及能譜分析

用ZEISS EVO18型能譜儀(EDS)對過熱管斷口及內外壁腐蝕產物的元素組成進行分析,見表4。結果顯示:斷口和內壁腐蝕產物均含有較高的Fe、O、Na、P、S元素;外壁腐蝕產物含有較高的Fe、O元素,應為鐵的氧化物。

表4 過熱管斷口及內外壁腐蝕產物的EDS分析結果

取部分斷口腐蝕產物溶于水中,測得pH為13,說明斷口腐蝕產物具有強堿性。為確定腐蝕產物的主要成分,用ARL X TRA型X射線衍射儀(XRD)進行物相分析,如圖4所示。結果顯示,腐蝕產物以鐵的氧化物(Fe3O4、FeO)和鈉鹽(Na2CO3、Na2SO4、NaClO)為主,還存在少量的SiO2。

圖4 過熱管斷口腐蝕產物的XRD譜

在ZEISS EVO18型掃描電鏡下觀察過熱管斷口的微觀形貌,如圖5所示。結果顯示:低倍下可見斷口表面存在大量二次裂紋,二次裂紋是主裂紋在擴展過程中產生分叉所形成的;高倍下可見階梯狀解理臺階,呈脆性解理斷裂特征。

圖5 過熱管斷口的微觀形貌

2 討 論

2.1 過熱管斷裂原因

經檢驗,過熱管材料合格,化學成分和力學性能均符合標準GB/T 5310-2017對12Cr1MoVG鋼的規定。斷口顯微組織正常,由鐵素體、珠光體和貝氏體組成,是12Cr1MoVG鋼正常的正火組織,珠光體形態完整,未見球化現象。經觀察,斷口附近無明顯宏觀塑性變形,微觀斷口具有階梯狀解理特征,說明過熱管爆管屬于脆性斷裂。在斷口處內壁發現較多細小裂紋,裂紋以沿晶開裂為主,呈樹枝狀向外壁擴展,從裂紋擴展形貌來看,符合應力腐蝕開裂特征。能譜分析顯示,斷口腐蝕產物含有較高的Fe、O、Na、P、S元素。經XRD分析,腐蝕產物以鐵的氧化物和鈉鹽為主,說明斷口附近存在積鹽現象。pH測試結果表明,腐蝕產物具有強堿性,為積鹽形成的堿濃縮。綜合分析認為,過熱器U型管發生了起于內壁的堿應力腐蝕開裂,即堿脆。

碳鋼發生堿應力腐蝕開裂需同時具備三個條件[4-6]:(1) 較高的拉應力;(2) 較高含量的堿液(碳鋼發生堿脆時NaOH質量分數須大于5%,當質量分數達到35%時最易發生堿脆);(3) 較高的溫度(碳鋼發生堿脆的最低溫度為46 ℃,在沸點附近最容易發生堿脆)。當溫度為50 ℃時,在質量分數為50%NaOH的堿液中碳鋼才會發生應力腐蝕開裂,而當溫度為90 ℃時在質量分數為5%NaOH的堿液中碳鋼就會發生應力腐蝕開裂。分析可知,過熱器U型管具備發生堿脆的條件,冷彎成型產生的殘余應力和蒸汽壓力均為應力腐蝕提供力學條件。過熱管積鹽形成堿濃縮,為應力腐蝕提供腐蝕環境,當堿含量達到發生應力腐蝕開裂的臨界值時,微裂紋形核萌生。

2.2 過熱管開裂機理

堿脆是金屬及合金材料在堿性溶液中,由拉應力和腐蝕介質共同作用而產生開裂的現象,它是金屬材料應力腐蝕開裂的一種類型。碳鋼在高溫下會與水蒸氣發生反應,如式(1)所示[5]。

(1)

生成的Fe3O4覆蓋在鋼的表面,形成一層致密的保護膜。當堿液在鋼表面富集濃縮時,Fe3O4保護膜會被溶解。一方面,露出的金屬基體與堿液反應,生成疏松、多孔的非層狀磁性氧化物,反應式見式(2)～(3)[6];另一方面,露出的金屬基體作為陽極,周邊的Fe3O4保護膜作為陰極,兩者發生電化學腐蝕,腐蝕沿晶界深入,形成微裂紋。隨著堿液在裂尖富集,反應持續進行,裂紋不斷擴展,最終導致材料堿脆開裂[11]。

2H2O

(2)

(3)

綜上所述,過熱器U型管爆管是由內壁發生堿應力腐蝕開裂導致的,即堿脆。過熱管冷彎成型產生的殘余應力和蒸汽壓力均為應力腐蝕開裂提供力學條件。鍋爐水堿度長期偏高,大量堿性物質在U型管沉積,產生積鹽現象,逐漸形成堿濃縮。當堿濃度達到臨界值時,微裂紋形核萌生,裂紋以沿晶開裂為主,呈樹枝狀迅速向外壁擴展,導致低溫過熱管斷裂失效。

3 結論與建議

(1) 過熱管材料的化學成分、拉伸性能均合格,符合GB/T 5310-2017對12Cr1MoVG鋼的要求。顯微組織正常,為鐵素體+珠光體+貝氏體,珠光體形態完整,無明顯球化、表面脫碳等劣化現象。

(2) 過熱器爆管機制為堿應力腐蝕開裂,即堿脆。由于鍋爐運行期間爐水堿度偏高,導致低溫過熱器U型管積鹽形成堿濃縮。在冷彎殘余應力和蒸汽壓力共同作用下,萌生堿應力腐蝕裂紋,隨著時間的推移,裂紋持續擴展,導致過熱管斷裂失效。

(3) 在水處理方面,建議強化水質管理,嚴格執行GB/T 1576-2018《工業鍋爐水質》標準規定。在運行方面,優化鍋爐排污工作,根據水質化驗結果,及時調整鍋爐的連排和定排操作。