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。

1 設備概況

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

2 宏觀檢查與測定

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》)。

3 微觀分析

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。

4 結果與對策

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]。

5 結束語

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.