過熱器是鍋爐的重要組成部分，是把飽和蒸汽加熱至一定溫度過熱蒸汽的設備。過熱器的服役溫度高、承受壓力大、使用環境復雜苛刻，長期運行時易發生材料老化、磨損、過熱、腐蝕、蠕變或熱疲勞等現象，嚴重時甚至發生鍋爐非計劃停機事故，影響機組的安全性和經濟性[1-2]。12Cr1MoVG鋼具有較高的持久強度、良好的抗氧化性、無熱脆傾向、較好的焊接性能等特點，主要應用于鍋爐等高溫零部件中，如蒸汽溫度低于540 ℃的鍋爐集箱和蒸汽管道，以及金屬外壁溫度低于580 ℃的過熱器、再熱器等[3]。 

某公司蒸汽鍋爐投入運行不足2 a就發生高溫過熱器爆管事故，造成非計劃停爐。該鍋爐高溫過熱器的額定工作溫度為420 ℃，額定工作壓力為4.43 MPa。過熱器管規格為60 mm×5 mm（外徑×壁厚），材料為12Cr1MoVG鋼，執行標準為GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該鍋爐過熱器爆管的原因，以避免該類事故再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

過熱器爆裂管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：爆口處有鼓脹現象，塑性變形明顯，裂口從鼓脹區軸向開裂，至徑向撕裂，爆口邊緣銳利，壁厚嚴重減薄，經測厚發現最薄處約為0.5 mm；過熱器管內壁可見較厚的垢層，厚度約為1.5 mm，垢層堅硬、不易剝落；爆口處未見垢層，原因為爆管時蒸汽壓力導致垢層脫落。從爆口形貌特征判斷，過熱器管爆裂性質為短時超溫爆裂。 

圖  1  過熱器爆裂管宏觀形貌

1.2   化學成分分析

依據標準GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》，采用電火花直讀光譜儀對過熱器管進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：過熱器管材料的化學成分合格，符合GB/T 5310—2017對12Cr1MoVG鋼的要求。 

1.3   拉伸試驗

依據標準GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》，在過熱器遠離爆口的直管段取樣，對試樣進行室溫拉伸試驗，結果如表2所示。由表2可知：過熱器管的室溫拉伸性能合格，符合GB/T 5310—2017對12Cr1MoVG鋼的要求。 

1.4   硬度測試

依據標準GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，在爆口處、離爆口500 mm和遠離爆口的位置取樣，由于爆口處管壁減薄量大，故對其進行表面維氏硬度測試，結果如表3所示。由表3可知：爆口處材料的硬度低于標準值；離爆口500 mm的材料硬度仍低于標準值，接近標準下限；遠離爆口材料的硬度符合標準值。 

1.5   金相檢驗

依據DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術導則》對觀察面進行金相檢驗。首先在爆口處取樣，其顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：爆口試樣顯微組織中的珠光體形態幾乎消失，晶內碳化物顯著減少，按DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》進行球化評級，可知該顯微組織發生5級嚴重球化。在離爆口500 mm位置取樣，其顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知，該試樣顯微組織中僅局部區域有少量珠光體痕跡，碳化物明顯聚集長大，屬于4.5級完全球化。在遠離爆口位置取樣，其顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知，該試樣顯微組織中珠光體區域開始分散，形態仍較清晰，晶界有碳化物析出，屬于2.5級輕度球化。 

圖  2  爆口試樣的顯微組織形貌

圖  3  離爆口500 mm處試樣的顯微組織形貌

圖  4  遠離爆口處試樣的顯微組織形貌

1.6   垢層分析

利用能譜儀對爆口處內壁垢層進行能譜分析，結果如圖5所示。由圖5可知：垢層化學成分中以Fe元素和O元素為主，說明垢層物質為鐵的氧化物，未見Ca、Mg等常見水垢元素，分析該垢層物質應為服役過程中腐蝕形成的鐵垢。 

圖  5  爆口處內壁垢層SEM形貌及能譜

2.   綜合分析

由爆管的宏觀形貌可知，換熱管爆口區域塑性變形明顯，邊緣壁厚減薄量大，具有短時超溫爆管的特征。硬度測試結果顯示，爆口處硬度平均值為123 HV，明顯低于標準要求135~195 HV，遠離爆口處硬度平均值為155 HV，符合標準要求。金相檢驗結果表明，爆口組織嚴重球化，珠光體形態幾乎消失，晶內碳化物顯著減少，但未見裂紋，依據DL/T 773—2016標準評級，得到爆口處組織已達到球化5級。離爆口500 mm位置處僅局部區域有少量珠光體痕跡，碳化物明顯聚集長大，達到球化4.5級。遠離爆口組織的珠光體形態清晰，晶界有碳化物析出，屬于2.5級輕度球化。可見越靠近過熱器管爆口，顯微組織中珠光體球化級別（損傷）越高。研究顯示[3]，隨著顯微組織球化程度的加劇，硬度會逐漸降低，球化中期硬度下降較快，球化后期硬度下降相對平緩。不同區域硬度的變化與顯微組織球化趨勢吻合。 

溫度是影響珠光體球化速率的重要因素[4]。該鍋爐投運后服役不足2 a，其高溫過熱器額定工作溫度為420 ℃，而爆口處材料組織球化已達5級，遠遠超過12Cr1MoVG鋼在許用溫度（≤580 ℃）服役相同時間的損傷程度。長期超溫服役是材料加速球化損傷的直接原因。過熱器管內壁嚴重結垢，能譜分析顯示垢層中有較高含量的Fe、O元素，垢層物質為鐵的氧化物，屬于氧化鐵垢。氧化鐵垢的導熱系數低，僅為鋼的1/10左右。內壁結垢會降低高溫煙氣與過熱蒸汽的換熱效率，導致過熱器管壁面溫度升高。當壁溫超過材料規定使用溫度的上限時，過熱器管進入超溫服役狀態。 

查閱鍋爐運行日志，發現在爆管近期鍋爐都是高負荷運行。分析日志顯示爐水氧含量超標，會導致過熱蒸汽中的氧含量偏高。當鍋爐高負荷運行時，蒸汽流量大、流速快，容易造成蒸汽帶水，引起過熱器管內壁腐蝕，生成Fe3O4，這是鐵垢的來源[5]。鍋爐在啟停或負荷調整時，容易出現蒸汽流量變動大或爐內溫降過快的現象，由于金屬與氧化鐵垢的膨脹系數不同，因此過熱器鐵垢會發生分離、脫落。脫落后的鐵垢在過熱器中聚積，多數是在下彎頭底部沉積，造成過熱蒸汽流速變慢，引起過熱器直管段管壁面溫度上升。長期超溫運行導致過熱器管材料嚴重劣化，強度下降，此時壁面溫度繼續上升，在工作壓力和熱應力的作用下，過熱器發生鼓脹，進而發生爆管事故。 

3.   結論與建議

（1）該過熱器管材料的化學成分合格，符合標準GB/T 5310—2017的要求。 

（2）內壁結垢導致過熱器管長期超溫運行，材料組織嚴重球化，力學性能下降。長期高負荷運行使垢層脫落并在下彎頭沉積，引起直管段嚴重超溫，在工作壓力和熱應力的作用下發生鼓脹，進而引起爆管事故。 

（3）建議嚴格控制爐水中的溶解氧含量，確保爐水滿足鍋爐使用標準，避免鍋爐長期高負荷運行。

文章來源——材料與測試網