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

關鍵詞:過熱管;氧化腐蝕;珠光體球化;開裂 

中圖分類號:TG115.5                   文獻標志碼:B                           文章編號:1001-4012(2023)08-0055-04 

水冷壁過熱管是鍋爐實現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導致鍋爐停機,造 成很大的經濟損失,還可能會引發嚴重的安全事 故[1-3]。 

某化纖公司的鍋爐旋風分離器水冷壁過熱管自 投入使用以來,兩次發生爆管開裂事故,發生開裂的 部位不同,但均位于旋風分離器處,爆管造成大量蒸 汽泄漏,嚴重影響機組的安全穩定運行。開裂過熱管 的材料為20G鋼,成型工藝為熱軋,熱處理狀態為正 火。管內介質為水和過熱蒸汽,正常工作溫度為384 ℃,壓力為13.4MPa。筆者采用一系列理化檢驗方法 分析其開裂原因,以防上該類問題再次發生。 

1 理化檢驗 

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 區域表面有明顯的黑色皸裂物質,初步判斷該物質 為高溫下的氧化或碳化產物,同時該管爆管位置有 明顯 的 脹 粗 現 象,管 外 徑 由 38 mm 脹 粗 至 40.5mm。第二次爆管區域內表面也發現了黑色物 質。為了方便區分,將第一次爆管區域命名為1號 試樣,將第二次爆管區域命名為2號試樣,將第二次 爆管區域附近的未爆管管子命名為3號試樣,將新 裝的管子命名為4號試樣。 

1.2 化學成分分析 

使用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結 果如表1所示,由表1可知:試樣的化學成分均符合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 

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

1.4 維氏硬度測試

使用維氏硬度計對試樣進行硬度測試,結果如 表2所示。與3號試樣和4號試樣相比,1號試樣 和2號試樣的維氏硬度明顯偏低,結果不符合 GB/ T5310—2017對20G鋼的要求。

1.5 掃描電鏡(SEM)和能譜分析 

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

2 綜合分析 

從理化檢驗結果來看,過熱管的化學成分符合 GB/T5310—2017對20G 鋼的要求。由金相檢驗 結果可知,1號和2號試樣表面氧化嚴重,珠光體已 發生明顯球化,局部區域已完全球化,這說明失效過熱管長期受到高溫作用。同時,1號和2號試樣的 晶粒度均大于10級,不符合 GB/T5310—2017對 20G鋼晶粒度為4~10級的要求,晶粒度太小會降 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果可知,開裂過熱 管長期經受高溫作用,其珠光體已經球化,因此硬度 也明顯偏低。對2號試樣的掃描電鏡和能譜分析結 果顯示,管表面和開裂斷口處均覆蓋有腐蝕產物,氧 化嚴重,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℃,當超過 450℃時,其顯微組織將快速劣化,強度也將顯著下 降[4-7]。生產實踐表明,20G鋼管長期處于450℃以 上時,珠光體將明顯球化,導致其高溫強度、高溫持 久蠕變性能及硬度等力學性能明顯降低,同時鋼管 在高溫下更易受氧化腐蝕,管壁逐漸減薄,這時在管 內高壓蒸汽的壓力下,管壁發生脹粗變形現象,最終 導致過熱管爆管失效[8-10]。

綜上分析,1號和2號試樣發生明顯過熱現象, 顯微組織和硬度均不符合 GB/T5310—2018標準 要求,這應該是開裂的主要原因。鍋爐管爆管的主 要原因有:① 管內有異物,使管子堵塞;② 低負荷 運行,蒸汽流量不足引起管子過熱爆管;③ 爐膛內 溫度分布不均勻,導致管子局部溫度較高,引起開裂爆管。同時,1號和2號試樣的晶粒度大于10級, 均不符合GB/T5310—2018標準對20G鋼的晶粒 度為4~10級的要求。

3 結論及建議 

該鍋爐旋風分離器水冷壁過熱管的兩處爆管區 域均發生過熱現象,其力學性能發生改變,材料性能 劣化,已不滿足GB/T5310—2018標準要求。 

建議加強對無縫鋼管的質量管控,在條件允許的 情況下,增加驗收工序;建議加強對鍋爐運行情況的 監控,盡量避免出現低負荷運行、超溫運行等情況。

參考文獻: 

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