摘 要:某鍋爐旋風(fēng)分離器水冷壁過熱管多次發(fā)生開裂事故,采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金 相檢驗(yàn)、硬度測試、掃描電鏡及能譜分析等方法對開裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:過熱管長期處于 450℃以上的高溫狀態(tài),珠光體組織球化明顯,顯微組織的劣化導(dǎo)致過熱管的強(qiáng)度和硬度下降;被 氧化腐蝕減薄的過熱管在蒸汽壓力的作用下脹粗變形,最終導(dǎo)致過熱管開裂。 

關(guān)鍵詞:過熱管;氧化腐蝕;珠光體球化;開裂 

中圖分類號(hào):TG115.5                   文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                           文章編號(hào):1001-4012(2023)08-0055-04 

水冷壁過熱管是鍋爐實(shí)現(xiàn)熱量傳遞與交換的主 要部件,也是鍋爐的主要受熱部件,其失效情況較為 常見。水冷壁管爆管失效不僅會(huì)導(dǎo)致鍋爐停機(jī),造 成很大的經(jīng)濟(jì)損失,還可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事 故[1-3]。 

某化纖公司的鍋爐旋風(fēng)分離器水冷壁過熱管自 投入使用以來,兩次發(fā)生爆管開裂事故,發(fā)生開裂的 部位不同,但均位于旋風(fēng)分離器處,爆管造成大量蒸 汽泄漏,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。開裂過熱管 的材料為20G鋼,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,正常工作溫度為384 ℃,壓力為13.4MPa。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法 分析其開裂原因,以防上該類問題再次發(fā)生。 

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

開裂過熱管宏觀形貌如圖1所示,第一次爆管 區(qū)域表面有明顯的黑色皸裂物質(zhì),初步判斷該物質(zhì) 為高溫下的氧化或碳化產(chǎn)物,同時(shí)該管爆管位置有 明顯 的 脹 粗 現(xiàn) 象,管 外 徑 由 38 mm 脹 粗 至 40.5mm。第二次爆管區(qū)域內(nèi)表面也發(fā)現(xiàn)了黑色物 質(zhì)。為了方便區(qū)分,將第一次爆管區(qū)域命名為1號(hào) 試樣,將第二次爆管區(qū)域命名為2號(hào)試樣,將第二次 爆管區(qū)域附近的未爆管管子命名為3號(hào)試樣,將新 裝的管子命名為4號(hào)試樣。 

1.2 化學(xué)成分分析 

使用直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果如表1所示,由表1可知:試樣的化學(xué)成分均符合GB/T5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20G 鋼管的要求。

1.3 金相檢驗(yàn) 

制備金相試樣,將其磨制、拋光后,采用光學(xué)顯 微鏡對其進(jìn)行觀察。1號(hào)試樣的顯微組織為鐵素體 +珠光體,表面有很多黑色氧化物,氧化嚴(yán)重,晶粒 度級(jí)別大于 10 級(jí),不符合 GB/T5310—2017 對 20G鋼(晶粒度4~10級(jí))的要求,球化級(jí)別為5級(jí), 球化嚴(yán)重,1號(hào)試樣的顯微組織形貌如圖2所示。2 號(hào)試樣的顯微組織與1號(hào)試樣相似,為鐵素體+珠 光體,氧化嚴(yán)重,晶粒度級(jí)別大于10級(jí),球化級(jí)別為 5級(jí),球化嚴(yán)重,2號(hào)試樣的顯微組織形貌如圖3所 示。3號(hào)試樣的顯微組織為鐵素體+珠光體,表面 黑色氧化物較少,晶粒度級(jí)別大于10級(jí),球化級(jí)別 為1級(jí),有輕微球化,3號(hào)試樣的顯微組織形貌如圖 4所示。4號(hào)試樣的顯微組織為鐵素體+珠光體,晶 粒度級(jí)別為10級(jí),符合要求,珠光體形態(tài)清晰,未見 球化,4號(hào)試樣的顯微組織形貌如圖5所示。

1.4 維氏硬度測試

使用維氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行硬度測試,結(jié)果如 表2所示。與3號(hào)試樣和4號(hào)試樣相比,1號(hào)試樣 和2號(hào)試樣的維氏硬度明顯偏低,結(jié)果不符合 GB/ T5310—2017對20G鋼的要求。

1.5 掃描電鏡(SEM)和能譜分析 

使用場發(fā)射掃描電鏡對2號(hào)試樣的斷口和表面 進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析。斷口處大部分區(qū)域覆蓋 著腐蝕產(chǎn)物,能譜分析顯示腐蝕產(chǎn)物主要含有 Fe 元素和 O元素,即該腐蝕產(chǎn)物主要為鐵元素的氧化 物,并含少量鈣鹽,鈣鹽主要來自管內(nèi)介質(zhì)水,2號(hào) 試樣斷口和表面的SEM 形貌如圖6,7所示,能譜 分析結(jié)果如表3所示。2號(hào)試樣表面也覆蓋著疏松 的腐蝕產(chǎn)物,該腐蝕產(chǎn)物主要為鐵元素的氧化物,并 含少量鈣鹽。

2 綜合分析 

從理化檢驗(yàn)結(jié)果來看,過熱管的化學(xué)成分符合 GB/T5310—2017對20G 鋼的要求。由金相檢驗(yàn) 結(jié)果可知,1號(hào)和2號(hào)試樣表面氧化嚴(yán)重,珠光體已 發(fā)生明顯球化,局部區(qū)域已完全球化,這說明失效過熱管長期受到高溫作用。同時(shí),1號(hào)和2號(hào)試樣的 晶粒度均大于10級(jí),不符合 GB/T5310—2017對 20G鋼晶粒度為4~10級(jí)的要求,晶粒度太小會(huì)降 低金屬材料在高溫下的蠕變性能。由開裂過熱管與 未開裂過熱管的維氏硬度測試結(jié)果可知,開裂過熱 管長期經(jīng)受高溫作用,其珠光體已經(jīng)球化,因此硬度 也明顯偏低。對2號(hào)試樣的掃描電鏡和能譜分析結(jié) 果顯示,管表面和開裂斷口處均覆蓋有腐蝕產(chǎn)物,氧 化嚴(yán)重,說明開裂過熱管長期承受氧化腐蝕作用。

該水冷壁過熱管的材料為20G 鋼,一般來說, 這種材料的推薦使用溫度為-20~430℃,當(dāng)超過 450℃時(shí),其顯微組織將快速劣化,強(qiáng)度也將顯著下 降[4-7]。生產(chǎn)實(shí)踐表明,20G鋼管長期處于450℃以 上時(shí),珠光體將明顯球化,導(dǎo)致其高溫強(qiáng)度、高溫持 久蠕變性能及硬度等力學(xué)性能明顯降低,同時(shí)鋼管 在高溫下更易受氧化腐蝕,管壁逐漸減薄,這時(shí)在管 內(nèi)高壓蒸汽的壓力下,管壁發(fā)生脹粗變形現(xiàn)象,最終 導(dǎo)致過熱管爆管失效[8-10]。

綜上分析,1號(hào)和2號(hào)試樣發(fā)生明顯過熱現(xiàn)象, 顯微組織和硬度均不符合 GB/T5310—2018標(biāo)準(zhǔn) 要求,這應(yīng)該是開裂的主要原因。鍋爐管爆管的主 要原因有:① 管內(nèi)有異物,使管子堵塞;② 低負(fù)荷 運(yùn)行,蒸汽流量不足引起管子過熱爆管;③ 爐膛內(nèi) 溫度分布不均勻,導(dǎo)致管子局部溫度較高,引起開裂爆管。同時(shí),1號(hào)和2號(hào)試樣的晶粒度大于10級(jí), 均不符合GB/T5310—2018標(biāo)準(zhǔn)對20G鋼的晶粒 度為4~10級(jí)的要求。

3 結(jié)論及建議 

該鍋爐旋風(fēng)分離器水冷壁過熱管的兩處爆管區(qū) 域均發(fā)生過熱現(xiàn)象,其力學(xué)性能發(fā)生改變,材料性能 劣化,已不滿足GB/T5310—2018標(biāo)準(zhǔn)要求。 

建議加強(qiáng)對無縫鋼管的質(zhì)量管控,在條件允許的 情況下,增加驗(yàn)收工序;建議加強(qiáng)對鍋爐運(yùn)行情況的 監(jiān)控,盡量避免出現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行、超溫運(yùn)行等情況。

參考文獻(xiàn): 

[1] 韓志遠(yuǎn).某熱電廠600MW 鍋爐水冷壁管開裂原因 [J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2021,57(2):60-62. 

[2] 任凱.電廠水冷壁管爆裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)(物 理分冊),2018,54(9):689-691. 

[3] 付洋洋.某水電廠鍋爐水冷壁管泄漏的原因[J].理化 檢驗(yàn)(物理分冊),2021,57(11):63-65. 

[4] 李榮之,王建元,歐紅燕,等.鍋爐水冷壁過熱管穿孔 失效原因[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2021,57(8):65- 68. 

[5] 崔忠圻,覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M].北京:機(jī)械工 業(yè)出版社,2007. 

[6] 譚瑩,曹標(biāo),陳明,等.過熱器20G鋼管爆裂原因分析 [J].金屬熱處理,2009,34(9):105-107. 

[7] 趙秋洪,姜斌,王佳美.熱電廠用20G珠光體鋼的球 化機(jī)理及壽命預(yù)測[J].金屬熱處理,2016,41(9): 161-167. 

[8] 潘金平,潘柏定,程宏輝,等.20G硬度與球化關(guān)系研 究及壽命評(píng)估新方法[J].熱加工工藝,2012,41(12): 144-148. 

[9] 何維.鍋爐過熱器爆管原因及控制措施的探討[J].廣 東科技,2010,19(18):100-103. 

[10] 徐文華.工業(yè)鍋爐過熱器常見爆管原因分析及處理方 法探討[J].工業(yè)鍋爐,2005(5):40-42.

<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 59卷 > 8期 (pp:55-58)>