杜守信，蘇 輝，謝禹均

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

鍋爐爐管開(kāi)裂泄漏原因分析

杜守信，蘇 輝，謝禹均

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

通過(guò)宏觀觀察、能譜分析化學(xué)成分、金相組織和掃描電鏡分析等方法。對(duì)某熱電廠蒸汽鍋爐爐管開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行研究。結(jié)果表明：焊接溫度使?fàn)t管表面的組織發(fā)生了改變，屈氏體使?fàn)t管脆化，塑性和韌性降低，變形能力變差。焊接收縮拉應(yīng)力和其它應(yīng)力是爐管產(chǎn)生開(kāi)裂及裂紋擴(kuò)展的主要原因。

20G鋼；鍋爐爐管；開(kāi)裂

蒸汽鍋爐屬于承壓特設(shè)備，其工作環(huán)境較為惡劣，需要長(zhǎng)期在高溫高壓條件下服役，因此維護(hù)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，防止意外事故發(fā)生，具有十分重要的意義。某熱電廠蒸汽鍋爐安裝后已經(jīng)運(yùn)行使用了15 a左右，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)滲漏爐管內(nèi)部有裂紋。裂紋的位置在更換爐管與原爐管焊縫附近的原爐管的熱影響區(qū)處，裂紋為環(huán)向裂紋，長(zhǎng)度大約20 mm左右。為查清該管道的開(kāi)裂泄漏原因，本文對(duì)產(chǎn)生裂紋爐管的斷口形貌進(jìn)行了分析和檢驗(yàn)，初步查明了導(dǎo)致鍋爐爐管產(chǎn)生開(kāi)裂的原因，提出了防止?fàn)t管產(chǎn)生開(kāi)裂的措施，為避免今后產(chǎn)生類似的事故，確保鍋爐安全可靠地運(yùn)行提出了相關(guān)的建議[1]。

1 鍋爐爐管的材質(zhì)及工作條件

鍋爐爐管設(shè)計(jì)上采用的是20G爐管。開(kāi)裂爐管所在的位置是爐膛下部冷灰斗處，不屬于高溫?zé)彷椛鋮^(qū)。裂紋產(chǎn)生在更換爐管上方的原爐管上，爐管內(nèi)部的介質(zhì)水及蒸汽由下方流向上方。爐管之間通過(guò)鰭片連接，管外由火焰、煤氣加熱[2]。外部爐氣溫度大約600 ℃左右，爐管內(nèi)部為水和水蒸氣，額定溫度為320 ℃，飽和壓力為11.28 MPa。

2 爐管的檢驗(yàn)及分析

2.1 爐管的宏觀形貌

將有裂紋的爐管沿著軸向剖開(kāi),裂紋正好處在鰭片的位置。裂紋與爐管環(huán)焊縫平行。由圖1可見(jiàn)，裂紋較細(xì)兩端有很尖的尖角，所以，判斷應(yīng)該是冷裂紋[3]。圖2是扳開(kāi)后的斷口宏觀形貌和位置。可見(jiàn)，斷口呈黑紅色，發(fā)生了較嚴(yán)重的氧化和銹蝕，說(shuō)明裂紋已經(jīng)形成了很長(zhǎng)時(shí)間，在長(zhǎng)時(shí)間的加熱過(guò)程中，空氣中的氧氣進(jìn)入了裂紋中使其發(fā)生了氧化[4]。裂紋的位置剛好在鰭片端頭處。裂紋是一個(gè)穿透裂紋。裂紋在外表面的長(zhǎng)度為21 mm，在內(nèi)表面的長(zhǎng)度為17 mm。說(shuō)明裂紋是在外表面首先形成的，而后向內(nèi)表面進(jìn)行擴(kuò)展。在裂紋附近，管壁略有減薄。最薄處壁厚為4.3 mm。其它位置壁厚平均為5.1 mm。

右上方的斷口為原爐管方向的斷口。其鰭片為原自帶鰭片。下方的斷口是靠近環(huán)焊縫方向的斷口。其鰭片為堆焊而成。與原爐管鰭片接觸的截面積很小，實(shí)為虛接，并相互錯(cuò)開(kāi)。對(duì)斷口進(jìn)一步放大觀察。圖2可見(jiàn)，斷口的外表面有兩處凹坑，經(jīng)觀察確認(rèn)是點(diǎn)焊的弧坑。在斷口上有兩條弧形跡線，斷裂正好在原爐管鰭片與堆焊縫交界處。斷口表面平

整，與爐管的軸線呈一定的角度。

圖1 從內(nèi)表面觀察到的裂紋Fig.1 Inner surface cracks

兩個(gè)弧坑是裂紋的源點(diǎn)，裂紋是在此處形成的，并向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展?；⌒污E線表明，斷口的形成不是在一次受力情況下產(chǎn)生的。而是在兩次或多次受力的情況下逐漸產(chǎn)生的。裂紋的擴(kuò)展是沿著弧形跡線的法向方向進(jìn)行的，弧形跡線之間的距離，表示裂紋在一次受力時(shí)裂紋擴(kuò)展的距離[5]。

圖2 斷口的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic fracture morphology

斷口與爐管的軸線呈一定的角度，說(shuō)明裂紋開(kāi)裂是在切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的。

2.2 爐管的化學(xué)成分分析

在焊縫兩端分別取樣，對(duì)爐管表面進(jìn)行了光譜化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，爐管的化學(xué)成分，完全在20G爐管的化學(xué)成分觃定之內(nèi)，符合GB5310-85的觃定[6]。

表1 爐管的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the furnace tube %

2.3 爐管的金相檢驗(yàn)

圖3到圖6分別是開(kāi)裂爐管母材到焊縫的金相組織。圖3是開(kāi)裂爐管母材的金相組織，是20G鋼正常的金相組織，為鐵素體和珠光體，呈帶狀分布。為熱軋制爐管。圖4是焊縫過(guò)熱區(qū)的金相組織，為魏氏組織。是焊接環(huán)焊縫時(shí)，焊接溫度使母材溫度升高到1 000 ℃左右形成的。圖5是焊縫正火區(qū)的金相組織，為細(xì)小的鐵素體和珠光體。是焊接環(huán)焊縫時(shí)，焊接溫度使母材溫度升高到900 ℃左右形成的。圖6是靠近內(nèi)表面的環(huán)焊縫的金相組織。柱狀晶得到了細(xì)化。說(shuō)明焊接采用的是多道焊。在焊接外表面時(shí)使內(nèi)表面的焊縫得到了細(xì)化[7]。

圖7到圖9是裂紋的剖面組織。圖7是裂紋外表面的金相組織?？梢?jiàn)，帶狀組織消失，珠光體和鐵素體得到了細(xì)化。是焊接鰭片時(shí)，焊接溫度使?fàn)t管外表面的溫度升高到900 ℃以上，發(fā)生了重結(jié)晶所致。裂紋與爐管軸線有一定的角度，說(shuō)明是在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的開(kāi)裂。

圖8是弧形跡線處的金相組織。裂紋在此處形成了一個(gè)臺(tái)階。帶狀組織略有傾斜，說(shuō)明在切應(yīng)力的作用下，裂紋附近的金屬有少量的變形。

圖9是外表面的金相組織。組織為屈氏體和少量鐵素體。

圖3 開(kāi)裂爐管母材的金相組織Fig.3 Cracking furnace tube microstructure of the base metal

圖4 開(kāi)裂爐管焊縫過(guò)熱區(qū)金相組織Fig.4 Cracking furnace tube microstructure of the weld overheated zone

圖5 開(kāi)裂爐管焊縫正火區(qū)的金相組織Fig.5 Cracking furnace tube microstructure of the weld normalizing zone

圖6 靠近內(nèi)表面的環(huán)焊縫金相組織Fig.6 Microstructure of close to the inner surface of the ring weld

圖7 裂紋外表面的剖面金相組織Fig.7 Microstructure of the cross-sectional outer surface cracks

圖8 裂紋弧形跡線處的剖面金相組織Fig.8 Microstructure of the cross-section at the crack arc traces

說(shuō)明在焊接鰭片時(shí)，焊接溫度使?fàn)t管表面溫度升高到900 ℃以上，并以較快的冷卻速度進(jìn)行了冷卻。屈氏體組織使材料的硬度、強(qiáng)度升高，但會(huì)使塑性和韌性下降[8]?？梢?jiàn)焊接溫度對(duì)爐管組織影響很大。

圖9 裂紋附近外表面的金相組織Fig.9 Microstructure of nearing the outer surface of the crack

2.4 爐管斷口的掃描電鏡微觀形貌

圖10是斷口的掃描電鏡微觀形貌，斷口表面高低不平，局部有一些細(xì)小的顆粒，確定是氧化物。將斷口進(jìn)行清洗，去掉表面的氧化物和銹跡露出金屬斷口的原貌后進(jìn)行掃描電鏡觀察分析，如圖11所示，可以看到有二次裂紋，二次裂紋之間的距離較大，說(shuō)明是在大應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。同時(shí)，局部也有較小的輝紋，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展也有小的應(yīng)力作用。裂紋擴(kuò)展是在高應(yīng)力和低應(yīng)力混合作用下產(chǎn)生的[9]。

圖10 斷口的掃描電鏡微觀形貌Fig.10 SEM of fracture

圖11 斷口清洗后掃描電鏡的微觀形貌Fig.11 SEM of cleaned fracture

3 爐管開(kāi)裂原因分析

3.1 焊接溫度使?fàn)t管組織發(fā)生了變化

堆焊縫的焊接溫度使?fàn)t管表面加熱并迅速冷卻，改變了爐管的組織，形成了屈氏體，使?fàn)t管脆性增大，塑性和韌性降低，變形能力變差，在應(yīng)力作用下更加容易開(kāi)裂[10]。

3.2 焊接應(yīng)力使?fàn)t管產(chǎn)生了開(kāi)裂

更換爐管時(shí)，環(huán)焊縫焊接在先，堆焊縫的焊接在后。在環(huán)焊縫焊接時(shí)，焊縫金屬的凝固收縮，已經(jīng)使?fàn)t管表面產(chǎn)生了一個(gè)沿著爐管軸向的拉應(yīng)力，而在焊接鰭片時(shí)，也會(huì)在爐管表面產(chǎn)生一個(gè)軸向的拉應(yīng)力。從焊接結(jié)構(gòu)來(lái)看，焊縫呈十字交叉，會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，是不合理的焊接結(jié)構(gòu)[11]。

3.3 使用過(guò)程中的應(yīng)力使?fàn)t管產(chǎn)生了滲漏

在焊接過(guò)程中，形成裂紋后，在裂紋處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，爐管的橫截面積減小，在使用過(guò)程中，開(kāi)爐、停爐，即使有很小的應(yīng)力也會(huì)使裂紋逐漸擴(kuò)展，直至完全斷裂而滲漏。

3.4 爐管開(kāi)裂滲漏機(jī)理

圖12是裂紋形成的示意圖。

圖12 裂紋形成示意圖Fig.12 Schematic of crack formation

由于操作不當(dāng)，在爐管表面產(chǎn)生了缺陷，焊接環(huán)焊縫、鰭片及堆焊過(guò)程中，在表面產(chǎn)生了拉應(yīng)力，并在與拉應(yīng)力成45°角的方向上產(chǎn)生了切應(yīng)力，在切應(yīng)力的作用下，形成了切向裂紋。當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到第二相或缺陷等處時(shí)，裂紋擴(kuò)展受到阻止，改變方向裂紋張開(kāi)使應(yīng)力得到了釋放。當(dāng)再次受到應(yīng)力時(shí)，裂紋又會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。

4 結(jié) 論

（1）焊接溫度使?fàn)t管表面的組織發(fā)生了改變，屈氏體使?fàn)t管脆化，塑性和韌性降低，變形能力變差。（2）爐管表面缺陷是裂紋形成的源點(diǎn)和核心。（3）焊接收縮拉應(yīng)力和其它應(yīng)力是爐管產(chǎn)生開(kāi)裂及裂紋擴(kuò)展的主要原因。

［1］張武能，王宜華，汪毅.某電廠再熱管道的熱疲勞原因分析[J].熱力發(fā)電，2009，(4)：57-59.

［2］馮文吉，耿進(jìn)鋒.電站鍋爐水冷壁爆管失效分析[J].金屬熱處理，2009，34(6)：104-106.

［3］鐘群鵬.失效分析基礎(chǔ)知識(shí)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2005，41(1) : 44-47.

［4］孫國(guó)豪.乙烯裂解爐管性能及失效分析研究[D]. 大連:大連理工大學(xué),2001.

［5］任耀杰. 裂解爐對(duì)流段二次注汽過(guò)熱爐管失效原因分析[J]. 乙烯工業(yè), 2007,19 (1):34-39.

［6］溫鵬程. 乙烯裂解爐對(duì)流段原料預(yù)熱翅片管開(kāi)裂原因分析及對(duì)策[J]. 化工機(jī)械, 2003, 30(6): 355-357.

［7］Dooly, Barry. A vision for reducing boiler tube failure-PartⅠ.[J]. Power Engineering,1992, 96(3): 33-37.

［8］李國(guó)明 , 崔海冰 .裂解爐對(duì)流段爐管穿孔原因分析 [J].齊魯石油化工 ,2007,35(1):61-63.

［9］D Delafosse, T Magnin. Hydrogen induced plasticity in stress corrosion cracking of engineering systems[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2001, 68: 693-729.

［10］Mucek, Mark W. Laboratory detection of degree o carburization in ethylene pyrolysis furnace tubing[J].Materials Performance,1983, 22(9): 25-28

［11］黃松林.泵軸疲勞失效分析與研究[J]. 煤礦機(jī)械, 2008(8): 75-76.

Cause Analysis of Boiler Tube Cracking and Leakage

DU Shou-xin，SU Hui，XIE Yu-jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The steam boiler tube cracking problem in a power plant was analyzed by macro observation, chemical composition analysis, optical and electron microstructure observation, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis and scanning electron microscopy analysis. The results showed that: the tissue of furnace tube surface was changed by welding process, the formation of troostite embrittled the furnace tube, lowered its ductility and toughness to deteriorate the deformation capacity; Weld shrinkage tensile stress and other stress were the main reasons for tube cracking and cracks propagation.

20G steel; Furnace tube; Cracking

TK 223

A

1671-0460（2014）09-1765-04

2014-03-15

杜守信（1988-），男，遼寧撫順人，碩士，2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，研究方向：失效分析及壽命評(píng)估。E-mail：dsx01@163.com。

蘇輝（1961-），男，副教授，碩士，研究方向：失效分析及壽命評(píng)估。E-mail：suhui0405@126.com。