王文超 楊菁華
(1. 蘭州藍星有限公司;2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司化學工業(yè)設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心)
化工設備在長期超負荷(溫度、壓力)運行過程中,必然造成材料的損傷,使設備組成件產(chǎn)生腐蝕、減薄及開裂等,導致泄漏、中毒、火災甚至爆炸事故頻發(fā),從而使企業(yè)被迫停車,近年來化工設備的高溫失效尤其嚴重[1],直接影響了生產(chǎn)的正常進行。筆者針對某廠C鍋爐低溫過熱器管的開裂情況,從宏觀和微觀兩個方面,通過金相分析、斷口掃描電鏡分析和X射線能譜分析方法對爆管部位進行了分析研究,并對該類失效形式提出了幾點預防建議及對策。
2010年上半年某廠動力車間C鍋爐低溫過熱器管多次發(fā)生爆管事故,被迫緊急停車,先后3次對C鍋爐低溫過熱器進行了停車檢修。但在同年7月份,C鍋爐低溫過熱器管再次發(fā)生多處爆裂,為了實現(xiàn)安全長周期的運行,廠方更換了過熱器的所有盤管,但在使用不到3個月的時間里,低溫過熱器管直管段又出現(xiàn)兩處開裂,造成嚴重的經(jīng)濟損失。
低溫過熱器管的技術條件如下:
管內(nèi)壓力 9.8MPa
管內(nèi)溫度 300~400℃
管外溫度 550~750℃
管內(nèi)介質(zhì) 蒸汽
管外介質(zhì) 煙氣(含SO2、CO、CO2、NOx等)
材料 20G
規(guī)格φ42mm×4.0mm
C鍋爐低溫過熱器開裂直管段公稱尺寸為φ42mm×4.0mm,管段內(nèi)外表面均附著有較厚的黑色腐蝕產(chǎn)物,由于長期受到管外高溫煙氣沖刷,管段受火表面沿軸向有大量金屬脫落,寬度約50mm(弧長),并分布有大量軸向裂紋,呈直線狀平行排列,開裂部位沿軸向呈梭形位于該范圍中央(圖1),裂口長約50mm,最寬處約7mm,開裂部位發(fā)現(xiàn)明顯鼓脹,鼓脹高度最大約8mm,開裂部位管壁減薄,宏觀斷口無金屬光澤,外觀呈現(xiàn)超溫爆管特征;管段外表面煙氣沖刷范圍對應的內(nèi)表面范圍較光滑,也分布有大量軸向裂紋,深度較淺。
圖1 C鍋爐低溫過熱器開裂直管段檢測部位示意圖
開裂直管段受高溫煙氣沖刷范圍內(nèi)壁厚明顯減薄,實測最小壁厚為2.8mm;開裂直管段外表面受高溫煙氣沖刷范圍內(nèi)硬度普遍較小,其值在HB151~170之間。
經(jīng)光電發(fā)射光譜分析,C鍋爐低溫過熱器開裂直管段材料成分見表1。
表1 管材成分光譜分析數(shù)據(jù)
注:實測值為四點測試平均值。
由表1可知,開裂管段材料成分符合標稱材料(20G)元素含量標準值(GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》)。
在低溫過熱器管開裂部位進行取樣,對其中的1#樣品和2#樣品進行掃描電子顯微鏡觀察(圖2)與X射線能譜分析。
a. 1#樣品外表面
b. 1#樣品內(nèi)表面
c. 1#樣品斷口邊沿微裂紋區(qū)
d. 1#樣品斷口開裂區(qū)
e. 1#樣品斷口過渡區(qū)
f. 1#樣品斷口撕裂區(qū)
g. 2#樣品徑向截面圖2 掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌
1#樣品外表面附著有較厚的黑色氧化層(圖2a),分布有大量長寬不等的軸向裂紋,基本呈直線狀平行排列,開裂方向垂直于管壁,裂紋周圍分布有大量脫落的金屬碎片和球化物,能譜分析S含量較高;1#樣品內(nèi)表面有一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜(圖2b),沒有發(fā)現(xiàn)脫落的金屬碎片,直線狀主裂紋沿軸向平行排列,裂紋較窄,并伴有樹枝狀的支裂紋,裂口兩側面附著有較厚團絮狀腐蝕產(chǎn)物;1#樣品主裂紋斷口邊沿發(fā)現(xiàn)有起源于外壁的窄淺的微裂紋(圖2c),通過能譜分析該裂紋內(nèi)夾有脫落的金屬碎片;1#樣品斷口黑色區(qū)域為開裂區(qū),斷口形貌呈沿晶開裂特征(圖2d),表面附著有氧化物,并且可以明顯觀察到大量球化石墨脫離基體后形成的空洞,斷口處存在二次裂紋;1#樣品斷口灰黑色區(qū)域為過渡區(qū),斷口形貌呈沿晶+穿晶開裂特征(圖2e),可觀察到明顯臺階狀特征,偏向開裂區(qū)一側有較多氧化物,偏向撕裂區(qū)一側石墨化形態(tài)更加明顯;1#樣品斷口銀灰色區(qū)域為撕裂區(qū),斷口形貌呈沿晶開裂特征(圖2f),可明顯觀察到嚴重的石墨化形態(tài),大部分石墨化球分布于基體中;2#樣品徑向截面研磨拋光后可觀察到裂紋呈直線狀延伸(圖2g),并伴有二次裂紋產(chǎn)生。
對2#樣品的徑向截面進行磨制、拋光,并用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,進行金相分析(圖3)。
a. 裂紋宏觀形貌 ×50
b. 樣品組織石墨化及碳化物聚集 ×400圖3 2#樣品金相分析照片
金相顯微鏡從2#樣品徑向截面低倍下觀察到裂紋呈直線狀擴展,并伴有二次裂紋產(chǎn)生;徑向截面未開裂區(qū)域內(nèi)大量碳化物高度彌散于晶內(nèi)及晶界,并聚集長大,組織出現(xiàn)珠光體球化和石墨化黑色空洞。
過熱器管受火面一側(外壁)長期在550~750℃高溫煙氣的沖刷下運行,加速了受火面一側金屬的氧化和脫落,同時高溫下20G會發(fā)生球化、石墨化與蠕變,使材料的力學性明顯下降;由掃描電鏡和能譜分析可知,管內(nèi)蒸汽品質(zhì)不高,使得管內(nèi)壁積垢嚴重,降低了換熱效率;管內(nèi)蒸汽溫度300~400℃,管外受火面一側煙氣溫度達550~750℃以上,形成由管外向管內(nèi)的溫度梯差,使直管段產(chǎn)生了一定的熱應力。因此,20G不適宜在420℃以上的溫度下使用。
另外,嚴格控制管內(nèi)的蒸汽溫度及管外的煙氣溫度,采取適當?shù)拇胧┓乐构芡獗谘趸痆2];應對管壁的溫度進行實時監(jiān)測,避免局部長時間超溫運行而導致管壁金屬發(fā)生球化、石墨化及蠕變失效;加強日常的生產(chǎn)和工藝管理,定期分析化驗鍋爐水的水質(zhì),改善水質(zhì)的控制措施和處理手段,減少雜質(zhì)元素,定期清洗管內(nèi)污垢,防止管壁溫度升高造成超溫爆管[3]。
通過對樣品的綜合檢查分析,C鍋爐低溫過熱器管開裂部位呈現(xiàn)碳素鋼在長期超溫運行環(huán)境下外表面局部氧化脫碳,組織出現(xiàn)嚴重球化、石墨化與蠕變的現(xiàn)象,使過熱器管材劣化,力學性能下降。再加之,蒸汽品質(zhì)不高,使管內(nèi)壁結垢后降低了換熱效率,從而導致過熱器管爆裂失效。
[1] 吳磊,顧昌.1025t/h鍋爐高溫過熱器爆管原因分析[J].湖北電力, 2004, 28(1): 23~24.
[2] 程紹兵,譚昌友.大容量鍋爐高溫受熱面超溫失效原因及對策[J].廣東電力, 2004, 17(2): 38~41.
[3] 趙志農(nóng). 腐蝕失效分析案例[M].北京:化學工業(yè)出版社,2009.