摘 要:某化工廠燃油鍋爐低溫過熱器管發生開裂,采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、掃 描電鏡分析、力學性能測試等方法分析了開裂原因。結果表明:低溫過熱器管開裂的原因是管壁材 料珠光體球化嚴重,使管壁迎火面的抗拉強度和屈服強度下降,管壁的耐熱性能下降,從而導致低 溫過熱器管發生開裂。
關鍵詞:低溫過熱器管;開裂;12Cr1MoV鋼;珠光體球化
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0015-04
過熱器為工廠鍋爐的重要組成部件,在運行過 程中承受著高溫、高壓和介質腐蝕的作用,過熱器管 的品質關系到整個鍋爐的安全運行。過熱器管失效 十分常見,主要的原因為短時或長時超溫、應力腐 蝕、材料老化等。
12Cr1MoV鋼是一種低合金高強度鋼,具有較 好的持久塑性和抗氧化性能,一直是高溫、高壓管道 和受熱面管等承壓部件的首選材料,被廣泛應用于 管壁溫度為550℃的高溫、高壓鍋爐過熱器管和蒸 汽管中。12Cr1MoV鋼制承壓部件長期在高溫、高 壓及交變應力工況下運行,材料容易發生珠光體球 化、固溶體合金元素貧化及碳化物聚集等問題[1-3], 并使管道的抗拉強度、硬度等逐漸下降,給設備的安 全穩定運行造成隱患[4]。
某化工廠公用工程車間的鍋爐(型號為BA-34) 低溫過熱器管發生爆管。該鍋爐于1986年7月正 式投入運行,于2021年7月檢修中發現一級過熱器 管開裂,且該過熱器管于2016年發生過爆管。筆者 采用一系列理化檢驗方法對低溫過熱器管的爆管原 因進行分析,并根據分析結果提出相關建議,以避免 該類事故再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
兩根爐管管壁壁厚的測量結果如表1所示, 從表1可以看出,3處軸向裂紋處壁厚減薄嚴重, 尤其 是 2# 管 堆 焊 處 軸 向 裂 紋 處 壁 厚 減 薄 了 38.5%。1# 管軸向裂紋外側長度約為76mm,內 側長度約為67mm,最大開口寬度約為2.4 mm (見圖1)。2# 管堆焊處有長條狀裂紋,外側裂紋 長度約為81mm,內側裂紋長度約為37mm(見圖 2),2# 管的軸向長裂紋由多條短裂紋組成,從外側裂紋可以看到有多個起裂源,外側裂紋長度約為 107mm,內側裂紋長度約為93mm(見圖3)。根 據裂紋長度推斷,裂紋由外壁向內壁擴展,且3條 裂紋都出現在迎火面。
1.2 化學成分分析
在管道上取樣后,利用直讀光譜儀對試樣進行 化學成分分析,結果如表2所示,可以看出結果符合 GB/T5310—2017《高 壓 鍋 爐 用 無 縫 鋼 管 》對12Cr1MoV鋼的要求。
1.3 金相檢驗
在過熱器管上遠離裂紋部位取樣,并將試樣置 于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可 知:遠離裂紋處的過熱器管顯微組織為珠光體和鐵 素體,片狀珠光體區域內的碳化物已顯著分散,碳化 物呈球狀,但仍保持原有的區域形態,根據 DL/T 773—2001《火電廠用 12Cr1MoV 鋼球化評級標 準》,該組織屬于中度球化(3級)。
對過熱器管裂紋附近進行取樣,并將其置于光 學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。圖5a)和圖5b) 中1# 管軸向裂紋和2# 管堆焊處軸向裂紋附近顯微 組織中僅有極少量的珠光體,大部分碳化物已分布 在鐵素體晶界上,為完全球化(4級);圖5c)中2# 管軸 向長裂紋附近顯微組織的珠光體已經完全消失,碳化 物粒子在晶界區域呈鏈狀分布,為嚴重球化(5級)。
1.4 掃描電鏡(SEM)分析
為了進一步分析低溫過熱器管裂紋產生的原 因,采用掃描電鏡分別對1# 管軸向裂紋和2# 管堆 焊處軸向裂紋的兩個斷口進行分析,結果如圖6所 示,由圖6可知:斷口表面覆蓋著大量氧化物,表面 有較多微小孔洞,微小孔洞內部含有顆粒狀夾雜物。 圖7為2# 管堆焊處軸向裂紋斷口SEM 形貌,由圖 7可以看出,堆焊處以解理斷裂為主,且存在大量密 集的孔洞,這是高溫蠕變的典型特征。斷口附近的 碳化物已經出現聚集和蠕變孔洞,局部區域的蠕變 孔洞已經連成串,形成微裂紋。
1.5 力學性能測試
對低溫過熱器管進行室溫和高溫力學性能測 試,在迎火面和背火面處分別取樣,試樣厚度為 3mm,拉伸試樣夾持端長度為25mm(便于安裝)。 按照GB/T228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分:室溫試驗方法》制備拉伸試樣,利用萬能液壓 試驗機對試樣進行拉伸試驗,結果如圖8,9所示,圖 8中3條虛線分別代表12Cr1MoV 鋼的抗拉強度、 屈服強度和斷后伸長率的標準值。由圖8,9可知: 在室溫條件下,低溫過熱器管迎火面的抗拉強度和屈服強度略低于12Cr1MoV 鋼的標準值,背火面的 抗拉強度和屈服強度都符合要求,迎火面和背火面 拉伸試樣的斷后伸長率也都符合要求;在高溫條件 下,隨著溫度的升高,低溫過熱器管的抗拉強度和屈 服強度都逐漸降低,且迎火面的力學性能低于背火 面的力學性能,這也是4條裂紋都產生在迎火面的 原因。
對室溫 拉 伸 試 樣 的 斷 口 進 行 分 析,斷 口 的 SEM 形貌如圖10所示,可以發現迎火面和背火面 的斷口都存在尺寸小且深度淺的韌窩,呈韌性斷 裂特征。
1.6 硬度測試
根據GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,用顯微硬度計對3處裂 紋區域、正常迎火面及背火面進行硬度測試,停留時 間為15s,測試結果如表3所示?？梢钥闯?正常迎 火面 的 平 均 硬 度 小 于 正 常 背 火 面,且 都 符 合 12Cr1MoV鋼的標準硬度(135~195HV)。
2 結論與建議
(1)低溫過熱器管開裂的原因是管壁材料的珠光體球化嚴重,導致管壁迎火面的抗拉強度和屈服 強度下降,管壁的耐熱性能降低。
(2)裂紋以外區域的顯微組織正常,球化級別 較低,4處裂紋都產生了不同程度的珠光體球化,其 中球化等級最高達到5級,處于完全球化狀態。
(3)低溫過熱器管迎火面的抗拉強度和屈服強 度較背火面的抗拉強度和屈服強度分別下降了 23.16%和30.31%,在高溫條件下,其力學性能下降 得更為明顯。
根據以上結論,給出以下建議。
(1)嚴格運行管理,以防止由人員操作不當引 起的表面過熱。
(2)應用新材料、新技術、新工藝,對過熱器管 易磨損部位進行刷涂處理等工藝,消除應力集中,增 加設備的修復強度。
(3)對壓力部件的焊接接頭進行檢查,加強對 壁溫和煙溫等測量點的維護,加強對管材的質量檢查,以便盡早發現管材的腐蝕隱患。
(4)采用爐管壽命管理系統,記錄爐管溫度,評 估爐管的剩余壽命,避免其超溫運行。
參考文獻:
[1] 蔣橋紅,謝金宏,巴發海.某鍋爐12Cr1MoV 鋼蒸汽 管道開裂原因[J].理化檢驗(物理分冊),2020,56 (10):30-34.
[2] 梁秀蘭,有移亮,張崢.12Cr1MoV鍋爐過熱器管長期 過熱開裂原因分析[J].機械工程學報,2014,50(8): 81-86.
[3] 李中偉,馮硯廳,張東文,等.300MW 鍋爐再熱出口 管道焊縫開裂原因分析[J].熱加工工藝,2011,40 (19):196-197.
[4] 宋玉,郭 巖,李 鵬 剛,等.長 時 運 行 高 溫 過 熱 器 12Cr1MoV鋼壽命評估[J].金屬熱處理,2021,46 (7):223-229.