張鴻武，馮楠楠，陳 陽

（1.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東濟(jì)南 250002;2.濟(jì)南經(jīng)緯電力工程咨詢有限公司，山東濟(jì)南 250021;3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250002;4.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東濟(jì)南 250021）

某公司一臺UG400-53/3.82/450-F 循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐，在對原有管排全部割除并進(jìn)行整體更換之后，累計運行時間不超過7 天的情況下，4 組高溫過熱器管發(fā)生爆管泄漏。之后割除、更換泄漏管排之后又有1 組高溫過熱器管發(fā)生爆管。此后重復(fù)此方法并未得到解決。于是立即停爐，并做全面檢查，尋找爆管原因。已知該高溫過熱器管設(shè)計材料為12Cr1MoVG，規(guī)格為覬38mm×6mm，運行壓力3.28MPa，運行溫度450℃。

12Cr1MoVG 鋼為珠光體低合金熱強(qiáng)鋼，因其具有較高熱強(qiáng)性能、持久塑性和良好的焊接性能，被大量應(yīng)用在電站鍋爐承壓部件中[1]。為加強(qiáng)電站鍋爐運行管理、提高其安全可靠性，避免此類事故再次發(fā)生[2]，現(xiàn)對爆口管段取樣，通過宏觀檢驗、化學(xué)成分檢測、金相分析、硬度檢測和拉伸試驗，對爆管原因進(jìn)行全面分析。

1 試驗

1.1 宏觀檢驗

經(jīng)宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)，高溫過熱器管斷裂面正好處于穿過爐墻的位置，如圖1 所示，斷口位于防磨筋條焊縫末端，為橫向斷口；管段無明顯脹粗，管壁無明顯減薄，呈脆性斷裂；斷裂面光滑、平整，存在疲勞裂紋擴(kuò)大區(qū)；內(nèi)壁沒有結(jié)垢及腐蝕等情況，防磨筋條側(cè)的管壁出現(xiàn)多處吹損；防磨筋條與管壁的焊縫近末端處存在大量堆焊的焊瘤。

圖1 宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分檢測

使用SPECTROTEST 定量光譜儀，對爆口管段進(jìn)行化學(xué)成分檢測，試驗溫度25℃，結(jié)果如表1所示。

表1 試樣的化學(xué)成分檢測結(jié)果 w/%

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對12Cr1MoVG 化學(xué)成分的要求[3]，爆口管段各化學(xué)元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。

1.3 金相分析

對斷口兩側(cè)管子進(jìn)行縱剖，打磨至600#金相砂紙，然后采用金剛石拋光劑對試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，使用4%硝酸酒精溶液（每100ml 溶液中：分析純硝酸4ml、無水乙醇96ml）進(jìn)行浸蝕，浸蝕后用無水乙醇清洗，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。最后使用Axio Vert A1 金相顯微鏡對金相組織進(jìn)行觀察，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T773-2016《火電廠用12CrlMoV 鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》對珠光體進(jìn)行球化評級[4]。檢測結(jié)果如下：

（1）如圖2 所示，斷口邊緣處（防磨筋條側(cè)）的金相組織為鐵素體和碳化物，球化評級為4～5級；距斷口3mm 處（防磨筋條側(cè)）的金相組織為鐵素體、碳化物和少量沿晶珠光體，球化評級為3～4 級；距斷口8mm 處、15mm 處（防磨筋條側(cè)）的金相組織均為鐵素體、碳化物和少量沿晶珠光體，球化評級為3 級。

圖2 金相組織

（2）如圖3 所示，距斷口20mm 處、30mm 處（無防磨筋條側(cè)）的金相組織為鐵素體、碳化物和珠光體，球化評級為3 級。

圖3 金相組織

1.4 硬度檢測和拉伸試驗

使用HB-3000B 布氏硬度計對無防磨筋條側(cè)的縱剖面進(jìn)行布氏硬度檢測，壓頭規(guī)格2.5mm，載荷187.5Kgf，加載時間12s，共對試樣進(jìn)行5 次布氏硬度檢測，取算術(shù)平均值；對無防磨筋條側(cè)的管段進(jìn)行取3 個標(biāo)準(zhǔn)縱向拉伸試樣，使用WDW-300E 試驗機(jī)，進(jìn)行力學(xué)性能拉伸試驗，試驗精度1%，試驗溫度17℃，檢測結(jié)果見表2。

表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對12Cr1MoVG 力學(xué)性能的要求[3]，無防磨筋條側(cè)的管段的抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)允許范圍的下限，屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和布氏硬度均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。

2 分析及結(jié)論

爆口管段的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，不存在材料錯用或者化學(xué)成分不合格的情況[5]；斷裂面光滑、平整，呈脆性斷裂，管子無明顯脹粗，內(nèi)壁沒有結(jié)垢及腐蝕等情況，可以排除過熱、腐蝕等原因造成泄漏爆管。

金相組織為鐵素體、碳化物和少量沿晶珠光體，爆口邊緣的珠光體球化評級較高，且珠光體分布形態(tài)異常；布氏硬度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長率的平均值符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但抗拉強(qiáng)度的平均值低于標(biāo)準(zhǔn)允許范圍的下限。說明在管子供貨時的熱處理、管子與防磨筋條的焊接或者焊后熱處理的過程中，可能存在不正常熱循環(huán)，加熱溫度在Ac1～Ac3之間，超過了鋼材加熱的下臨界點，組織開始奧氏體化，但未超過鋼材加熱的上臨界點，組織并沒有完全奧氏體化[6]。在冷卻后獲得了細(xì)小的鐵素體和大小不均珠光體，而且碳化物和少量珠光體聚集在鐵素體三角晶界上，弱化了晶界強(qiáng)度，導(dǎo)致管子的力學(xué)性能也較差，抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。其余部分加熱溫度在Ac1以下，雖然其金相組織仍為原始組織，但在高溫作用下珠光體已發(fā)生球化。

根據(jù)最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論及應(yīng)力分析計算[7]：

式中，DW是管子外徑（m）；是鋼材在計算溫度下的基本許用應(yīng)力（MPa）；η 是基本許用應(yīng)力修正系數(shù)，對于無縫鋼管，η=1.0。

式中，p 是管子承受的內(nèi)壓力（MPa）；S 是管子計算壁厚（m）；Dp是平均直徑（m）。

當(dāng)管子承受內(nèi)壓時，管壁受到的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)為縱向應(yīng)力的2 倍。所以在通常情況下，當(dāng)管子承受內(nèi)壓而發(fā)生爆破時，其爆口總是沿縱向開裂[7]。但該爆口為橫向斷口，表明除內(nèi)部介質(zhì)的壓力以外，管子還承受了較大的外加應(yīng)力。這是由于該管段防磨筋條與管壁的焊縫近末端處存在大量堆焊的焊瘤等缺陷，焊接質(zhì)量較差，存在焊接應(yīng)力，且斷口位于防磨筋條焊縫的末端，斷裂面正好處于穿過爐墻的位置，在運行過程中，由于爐墻兩側(cè)溫度工況不同，在連續(xù)交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生疲勞，并隨著時間的推移逐漸擴(kuò)展，直至斷裂。

3 結(jié)語

綜合試驗和分析結(jié)果，管子在力學(xué)性能較差、存在焊接缺陷的情況下，受到焊接應(yīng)力及連續(xù)交變應(yīng)力等外加應(yīng)力的作用，最終發(fā)生橫向脆性斷裂。

建議廠方加強(qiáng)管材供貨質(zhì)量的管控，并在管子與防磨筋條焊接及熱處理的過程中，嚴(yán)格控制焊接工藝與熱處理工藝。