李榮之，王建元，歐紅燕，張全新

(重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084)

某公司垃圾焚燒發(fā)電機組的鍋爐水冷壁過熱管自投入使用以來，多次發(fā)生穿孔爆管事故，每次都是采取緊急措施對鋼管穿孔部位進行堆焊修補，每次發(fā)生穿孔的部位不同，穿孔造成鍋爐水管泄漏，嚴(yán)重影響機組安全穩(wěn)定運行。失效鍋爐水冷壁過熱管的材料為20G鋼，管規(guī)格為φ38 mm×3.5 mm，鋼管成型工藝為熱軋，熱處理狀態(tài)為正火。管內(nèi)介質(zhì)為水和過熱蒸汽，壓力為4.78 MPa，溫度約400 ℃，管外為高溫?zé)煔猓瑺t內(nèi)煙氣溫度約800 ℃，高溫?zé)煔夂凸軆?nèi)蒸汽通過水冷壁過熱管進行熱交換。為了查找鍋爐水冷壁過熱管穿孔失效原因，避免再次出現(xiàn)此類問題，筆者對失效過熱管進行了取樣檢驗，并結(jié)合過熱管的服役環(huán)境和檢驗結(jié)果對過熱管失效的原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

先對兩種鋼管樣件進行對比分析，一種是較為完好的原樣管(遠(yuǎn)離高溫?zé)煔?，另一種為已發(fā)生明顯穿孔的失效過熱管(靠近高溫?zé)煔?，如圖1所示。發(fā)生穿孔的失效過熱管有兩件，其中一件有明顯穿透孔洞，孔徑約10 mm，另一件裂紋剛剛穿透管壁，未見明顯擴展。發(fā)生穿孔的過熱管表面有較厚積灰，過熱管內(nèi)壁有較厚沉積物，過熱管內(nèi)外氧化銹蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，連接過熱管的鰭片氧化銹蝕也十分嚴(yán)重。同時，在穿孔處過熱管有明顯鼓包現(xiàn)象，管徑明顯膨脹，壁厚明顯減薄，從該部位附近截取樣品測量外徑，實測結(jié)果為43.5 mm，壁厚僅為0.82 mm。較為完好的原樣管未見穿孔，無明顯氧化銹蝕，原樣管未見鼓包膨脹現(xiàn)象，其外徑實測結(jié)果為38.04 mm，壁厚為3.60 mm，符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中鍋爐管外徑及壁厚尺寸的允許偏差規(guī)定范圍。

1.2 化學(xué)成分分析

使用SPECTRO LAB型直讀光譜儀及CS-206型紅外碳硫儀對失效過熱管進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?？梢娖浠瘜W(xué)成分滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20G鋼管的成分要求。

1.3 拉伸性能試驗

在原樣管無焊接鰭片的部位沿縱向剖取弧形試樣，使用CMT 1505型電子萬能試驗機對其進行拉伸試驗，結(jié)果見表2。可見其拉伸性能滿足GB/T 5310—2017的技術(shù)要求。

表2 原樣管的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the original pipe

1.4 硬度測試

分別對原樣管和失效過熱管穿孔部位取樣，使用HV-10B型維氏硬度計對其進行硬度測試，結(jié)果見表3，可見失效過熱管的硬度明顯低于原樣管的。

表3 過熱管的硬度測試結(jié)果Tab.3 Hardness test results of the superheat pipes HV5

1.5 金相檢驗

分別在原樣管和失效過熱管穿孔部位取樣，磨制成金相試樣，經(jīng)拋光后采用QLYMPUS GX71型金相顯微鏡對其進行觀察。首先對過熱管的非金屬夾雜物進行檢測，觀察發(fā)現(xiàn)原樣管和失效過熱管的非金屬夾雜物含量和級別均較低，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》進行評定，其級別為A1.0，B1.0，C0.5，D1.0級，如圖2所示。試樣經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后，觀察發(fā)現(xiàn)原樣管顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為9級，組織較為均勻，珠光體形態(tài)完好，如圖3所示。失效過熱管的顯微組織也為鐵素體+珠光體，但珠光體已發(fā)生明顯球化，局部區(qū)域已完全球化，沿晶界存在較多的顆粒狀和片狀游離滲碳體，按照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》評定，其滲碳體級別為3.0級。同時失效過熱管的晶粒相對原樣管已明顯粗化，其級別為5.5級，如圖4所示。

圖2 不同過熱管的非金屬夾雜物形貌Fig.2 Morphology of non-metallic inclusions in the different superheater pipes:a)the original pipe;b)the failure pipe

圖3 原樣管的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the original pipe:a)at low magnification;b)at high magnification

圖4 失效管的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the failure pipe:a)at low magnification;b)at high magnification

2 分析與討論

水冷壁過熱管是鍋爐的主要受熱部件，由數(shù)排鋼管組成，分布于鍋爐爐膛四周，管內(nèi)為流動的水或過熱蒸汽。水冷壁過熱管吸收爐膛高溫火焰或煙氣的輻射熱量，同時降低爐墻溫度，保護爐墻。鍋爐水冷壁過熱管的工作條件比較惡劣，除了承受高溫高壓作用外，還受到工作介質(zhì)和煙氣的腐蝕，容易造成過熱管爆管失效，發(fā)生泄漏，鍋爐水管一旦泄漏將嚴(yán)重影響機組安全穩(wěn)定運行。

從以上理化檢驗結(jié)果來看，過熱管的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017對20G鋼管的要求，過熱管的力學(xué)性能、非金屬夾雜、晶粒度級別等指標(biāo)也未見異常，均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。由金相檢驗結(jié)果可知，失效過熱管晶粒已明顯粗化，同時珠光體已發(fā)生明顯球化，局部區(qū)域已完全球化，沿晶界存在較多的顆粒狀和片狀游離滲碳體，這說明失效過熱管長期受到高溫作用，使碳化物發(fā)生球化，珠光體形成團狀，晶粒也逐漸長大[1-3]。由失效過熱管與原樣管的硬度測試結(jié)果可知，失效過熱管長期經(jīng)受高溫作用，其顯微組織已經(jīng)球化和粗化，因此硬度也明顯低于原樣管[4]。同時，失效過熱管的鋼管外壁及鰭片處氧化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，管壁明顯減薄，說明失效過熱管長期承受氧化腐蝕作用[5]。

該鍋爐水冷壁過熱管的材料為20G鋼，一般來說，這種材料在工作溫度450 ℃以下長期工作是比較安全的，當(dāng)超過該溫度時，其顯微組織將發(fā)生明顯改變，強度也將下降。20G鋼管長期處于450～550 ℃時，珠光體組織將發(fā)生球化，顯微組織為鐵素體+細(xì)粒狀球化珠光體，如果管壁溫度長期處于600～700 ℃，顯微組織中將出現(xiàn)沿晶分布的顆粒狀和片狀游離滲碳體。失效過熱管的顯微組織中發(fā)現(xiàn)晶粒明顯粗化，珠光體明顯球化，且沿晶存在較多的顆粒狀和片狀游離滲碳體，從這一點可以確定該批20G鋼鍋爐水冷壁過熱管長期處于450 ℃以上的高溫過熱狀態(tài)，局部區(qū)域的管壁溫度達(dá)到或超過600 ℃[6-7]。

鍋爐水冷壁過熱管的管壁是爐內(nèi)高溫介質(zhì)與管內(nèi)介質(zhì)的熱交換界面，其一方面吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量，使管壁溫度很快上升，但同時又通過內(nèi)部流動的水或蒸汽及時帶走熱量，使管壁溫度及時降低而不至于升至過高，始終使管壁處于安全的工作溫度范圍內(nèi)，以確保鍋爐水冷壁的長期正常運行。如果爐內(nèi)煙氣溫度較高，同時在水冷壁過熱管表面積灰和內(nèi)壁水垢等沉積物較厚的情況下，過熱管內(nèi)冷卻介質(zhì)不能及時帶走熱量以充分冷卻水冷壁，未能充分平衡熱能，將致使水冷壁溫度上升，造成過熱管管壁長期承受高溫及氧化腐蝕作用。生產(chǎn)實踐表明，20G鋼管經(jīng)過長期高溫作用，顯微組織惡化，將導(dǎo)致其室溫強度、高溫強度、持久壽命及硬度等力學(xué)性能降低，隨著管壁承受溫度的上升，特別是當(dāng)碳化物擴散分布到鐵素體晶界沿晶形成游離滲碳體，達(dá)到完全球化程度后，強度和韌性會急劇下降，鋼管金屬已不再具有原來的強度，此時在管內(nèi)高壓蒸汽工作壓力作用下，鋼管將發(fā)生塑性變形，同時鋼管管壁在高溫作用下受到更快更嚴(yán)重的氧化腐蝕而被逐漸減薄，過熱管在高溫與壓力的雙重作用下管徑逐漸膨脹，壁厚逐漸減薄，出現(xiàn)膨脹鼓包變形現(xiàn)象，最終導(dǎo)致過熱管的穿孔失效[8-10]。

3 結(jié)論及建議

失效過熱管長期處于450 ℃以上的高溫狀態(tài)，局部區(qū)域管壁溫度達(dá)到600 ℃，使過熱管長期承受高溫及氧化腐蝕作用，過熱管的珠光體組織發(fā)生明顯球化，局部完全球化，沿晶界存在較多游離滲碳體，顯微組織的惡化使過熱管的強度和力學(xué)性能下降；被腐蝕減薄的過熱管在管內(nèi)壓力作用下膨脹變形，最終導(dǎo)致過熱管穿孔失效。

建議在鍋爐運行時，加強水冷壁過熱管的現(xiàn)場監(jiān)測和風(fēng)險排查，對管壁溫度進行在線監(jiān)控，適時對過熱管外形尺寸進行測量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過熱管外徑脹粗率超過規(guī)定值時應(yīng)及時進行修復(fù)或更換。同時及時對過熱管表面積灰和管內(nèi)沉積物進行清理，避免熱交換受阻使管壁溫度超高而導(dǎo)致過熱管組織性能惡化和氧化腐蝕，控制和減少穿孔失效風(fēng)險。