梁亞飛

華電電力科學(xué)研究院有限公司 浙江杭州 310030

火力發(fā)電是我國主要的電力來源，2018年火電占比為73．32%。電站鍋爐是火力發(fā)電的三大設(shè)備之一[1]。鍋爐管的失效經(jīng)常影響鍋爐管的安全運(yùn)行，因此分析鍋爐管失效的原因并提出相應(yīng)的預(yù)防措施是十分重要的。

1 失效原因分析

1.1 宏觀檢查經(jīng)檢查

背景介紹：某電廠過熱器出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，經(jīng)查閱原圖紙資料，該處過熱器設(shè)計(jì)材質(zhì)為12Cr1MoV。

過熱器管外觀及斷口情況：研究發(fā)現(xiàn)，爆破管具有明顯的塑性變形，裂縫為縱向裂縫，裂縫在斷口處呈刀口狀，爆破口為尖喇叭形，具有韌性斷裂的特征。的缺口很大，爆管的內(nèi)壁是干凈的，沒有明顯的腐蝕，斷裂的斷口表面光滑，表面有一層氧化層的破裂，已被剝掉的一部分。噴嘴管邊緣的厚度是2．8毫米，和氧化層現(xiàn)有噴嘴邊緣是0．2毫米。

圖1 失效過熱器管

圖2 爆口情況

1.2 硬度檢查

從管段開始研磨拋光，用MC10-HBS-3000形硬度測量器進(jìn)行了布氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果顯示負(fù)荷為7．35kN，保持時(shí)間為15s，硬度平均為125．9HBW，與普通的12cr1mov鋼相比硬度顯著降低[2]。

1.3 拉伸試驗(yàn)

在爆炸口附近的直管段試做取管的縱的拉伸，取4個(gè)地方的號(hào)碼進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。耐拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度幾乎不一致。耐拉強(qiáng)度明顯降低，斷后拉伸率與12cr1mov鋼的標(biāo)準(zhǔn)基本一致。結(jié)果見表1。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.4 化學(xué)成分分析

從過熱器管道提取塊狀樣品，用角磨削機(jī)磨成平面，由德國布魯克全譜火花直讀分光器Q4TASMAN對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析的結(jié)果，表面2中顯示出了材料化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB5310-2017，在表3中示出了12cr1mov的化學(xué)成分。與此形成對(duì)比的是，石墨的成分與標(biāo)準(zhǔn)成分相差很大，特別是石墨中不含金屬釩（V）。結(jié)合了硬度和拉伸試驗(yàn)的結(jié)果，判斷有安裝時(shí)的材質(zhì)使用錯(cuò)誤的可能性。

1.5 金相分析

故障加熱器的裂痕和從內(nèi)部提取的兩個(gè)樣品（1#和2#）分別進(jìn)行裝配加工，并由xq-2b裝配機(jī)裝配，然后經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、研磨、沖刷觀察樣品，并用DMI3000M型金相顯微鏡觀察。據(jù)試料金相介紹，管道微細(xì)組織主要是鐵素體和碳化物，珠光體的形態(tài)幾乎消失。

1.6 掃描電鏡分析

從過熱器管的爆炸口提取樣品，利用掃描鏡對(duì)爆炸口表面進(jìn)行微細(xì)的形狀分析。發(fā)現(xiàn)煤化物剝落的孔，裂紋只擴(kuò)大了1個(gè)，裂紋向晶界蔓延著。通過拉伸試驗(yàn)得出的切口是在掃描電鏡下的形態(tài)，典型的韌韌形態(tài)的斷裂是延性斷裂[3]。氧化皮的主要成分是Fe3O4，從成分表中可以看出它含有大量的碳元素。從以上信息中可以看出，使用過熱管道的鋼材應(yīng)該是錯(cuò)誤的，而使用不當(dāng)?shù)匿摬谋徽J(rèn)為是15CrMoG。

1.7 原因分析

故障的主要原因是材料使用不當(dāng)，由于使用了15crmog來代替12cr1mov鋼，材料的強(qiáng)度和抗氧化能力達(dá)不到要求，在管外容易發(fā)生氧化。當(dāng)在管的外部存在氧化皮時(shí)，過熱器管吸收熱而不均勻，形成熱集中。

2 分析與討論

宏觀檢查結(jié)果表明，爆口口徑和脹粗量相對(duì)較小，爆口外表面氧化嚴(yán)重，部分氧化層出現(xiàn)剝落，爆口附近外壁存在大量沿鋼管縱向方向的平行裂紋。力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，過熱器管向火側(cè)屈服強(qiáng)度和硬度值都接近或低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限值，而爆口附近的硬度值則明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。掃描電鏡形貌結(jié)果表明，爆口處存在大量的宏觀及微觀蠕變裂紋，晶界處析出大量的碳化物；存在較多的空隙，這種空隙將加速氣相由外往內(nèi)的傳輸。

表2 所測材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表3 12Cr1MoVG化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖3 拉伸斷口

3 結(jié)語

過熱器管內(nèi)壁在高溫和蒸汽環(huán)境下發(fā)生氧化，阻礙了蒸汽介質(zhì)與管壁的熱量交換，使得管壁溫度升高，而溫度升高時(shí)又進(jìn)一步加速內(nèi)壁氧化皮的生長。具有分層結(jié)構(gòu)的氧化皮層間結(jié)合力較差，同時(shí)氧化皮與基體金屬熱膨脹系數(shù)差異較大，并且隨著溫度的升高，鐵的氧化物熱膨脹系數(shù)逐漸增大，在啟停、運(yùn)行中爐溫驟變及反復(fù)波動(dòng)情況下，在蒸汽的吹刷下氧化皮容易發(fā)生剝落并在下彎管部位堆積，導(dǎo)致管子流通截面減少、介質(zhì)流量降低而造成鋼管局部出現(xiàn)超溫過熱。