分享：１５CrMo钢过热器管爆管原因分析
摘 要:某化工厂电站锅炉１５CrMo钢过热器管发生爆管造成整套装置非计划停机.采用宏观 检查、化学成分分析、金相检验、管壁形貌分析、硬度测试、胀粗量计算等方法,对过热器管爆管原因 进行了分析.结果表明:过热器管爆口有长期过热的特征,由于锅炉超负荷运行及氧化层引起过热 器管长期过热,造成管材组织劣化、出现蠕变孔洞及显微裂纹,导致过热器管强度降低最终造成爆 管.过热器管的失效模式为长期过热引起的高温蠕变开裂.
关键词:过热器管;１５CrMo钢;爆管;高温蠕变开裂
中图分类号:TG１４２．２１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８０８Ｇ０４
过热器管作为锅炉的重要部件,一旦失效会导 致锅炉非计划停运从而造成重大损失.其常见的失 效方式有蠕变、疲劳、腐蚀、侵蚀、氢脆、焊接处性能 劣化、高温短期过热、氧化、碱蚀、磨损以及应力腐 蚀等[１Ｇ５].
某化工 厂 电 站 锅 炉 为 Q１９０/９００Ｇ６５Ｇ３．８２/４５０ 型烟道式余热锅炉,该锅炉额定蒸发量为６５t??h－１, 高温过热蒸汽出口压力为３．８２ MPa,出口蒸汽温度 为４５０ ℃,给水温度为１０５ ℃.投产运行２０３５６h 后,其 出 口 侧 高 温 过 热 器 管 (规 格 为 ６０ mm × ５mm,材料为１５CrMo珠光体耐热钢)发生爆管造 成整套装置非计划停机.为查明该过热器管爆管失 效的原因,以便采取措施避免类似失效事故的再次 发生,笔者对失效件进行了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观检查
宏观检 查 发 现,该 过 热 器 管 爆 口 最 大 宽 度 为 ５mm,长度为３５mm,如图１所示.其中爆口边缘 钝且粗糙,爆口周围有许多与裂口方向平行的纵向 裂纹,爆口呈脆性开裂.爆口处管壁减薄不多,管的 外径存在明显胀粗现象,管的内外壁氧化皮均呈深 黑色.
１．２ 化学成分分析
对 过 热 器 管 取 样 采 用 FOUNDRＧMASTER PRO型全谱火花直读光谱仪进行化学成分分析,结果如表１所示.可见该过热器管材料各元素含量均 符合 GB５３１０－２００８«高 压 锅 炉 用 无 缝 钢 管»的 要求.
１．３ 金相检验
在过热器管爆口各部位截取金相试样,经过打 磨抛光后,采用体积分数为４％的硝酸酒精溶液浸 蚀,然后使用 AxioObserverA１m 型光学显微镜进 行观察.由图２a)可见,爆口向火侧近外表面显微 组织为 铁 素 体 ＋ 珠 光 体,珠 光 体 球 化 ５ 级 (根 据 DL/T７８７—２００１«火电厂用１５CrMo钢珠光体球化评 级标准»判定),已完全脱碳,三叉晶界处存在较大量 的蠕变孔洞及蠕变裂纹;由图２b)可见,爆口背火侧 近外表面显微组织也为铁素体＋珠光体,珠光体球化 ４~５级,三叉晶界处观察到极少量的蠕变孔洞.
１．４ 管壁形貌分析
使用光学显微镜分别观察过热器管爆口向火侧 和背火侧的横截面的形貌.由图３可见,爆口向火 侧内外壁均有裂纹并扩展至管壁深处,裂纹尖端及 周围存在蠕变孔洞,裂纹内部存在氧化物,管壁内部 分蠕变孔洞沿晶界呈链状排列,形成晶界显微裂纹. 由图４可见,爆口背火侧外壁有裂纹从表面扩展到 内部,裂纹尖端存在蠕变孔洞,基体内晶界处也观察 到蠕变孔洞;爆口背火侧内壁存在蠕变孔洞.爆口 向火 侧 和 背 火 侧 内 外 壁 氧 化 层 的 厚 度 均 约 为 ４００μm(氧 化 层 总 厚 度 约 ８００μm),超 过 了 TSG G７００２－２０１５«锅炉定期检验规则»中关于氧化层厚 度不大于６００μm 的要求.
１．５ 硬度测试
使用４０１MVA 型维氏显微硬度计对过热器爆 口向火侧横截面、背火侧横截面、远离爆口的直段横 截面进行硬度测试,载荷为１．９６N.测得硬度平均 值分别为１３３．５,１３７．５,１５７．７HV,硬度值是工程中力学性能的一个重要指标,可知爆口处背火侧及向 火侧材料的力学性能均有所下降.
１．６ 胀粗量计算
除去失效过热器管外表面的灰尘和铁锈后,将 该管爆口中心横截面记为 A 截面,自 A 截面起每隔 １５ mm 依 次 记 为 B,C,D,E 截 面. 用 精 度 为 ０．０２mm的游标卡尺测量各截面上两个相互垂直方 向的管道外径值,取两者算术平均值再得出截面的 胀粗量,计算结果如表２所示.可见爆口中心截面 的胀粗量最大,距离爆口中心最远截面的胀粗量最 小.所测截 面 的 胀 粗 量 均 超 出 DL/T４３８－２００９ «火力发电厂金属技术监督规程»的规定(低合金钢 管外径胀粗量不大于２．５％),该爆口处已发生明显 高温蠕变变形.
２ 分析与讨论
过热器管爆口呈脆性开裂,具有长期超温过热 爆管的宏观特征.爆口向火侧和背火侧近外表面显 微组织均为铁素体＋珠光体,三叉晶界处存在蠕变 孔洞及蠕变裂纹,爆口组织的珠光体球化达到５级 已完全脱碳,可见爆口处向火侧及背火侧近外表面 显微组织已严重老化.爆口向火侧和背火侧内外壁 氧化层总厚度达到８００μm,超过了 TSG G７００２－ ２０１５中关于氧化层厚度不大于６００μm 的要求.氧 化层的 存 在 减 少 了 过 热 器 管 的 有 效 壁 厚 (厚 度 由 ５．０mm减少到４．２mm),由于氧化层的传热效果比 金属的差,氧化层的超标将引起过热器管壁温度升 高而导致管壁强度降低.蠕变孔洞及裂纹的存在, 破坏了管壁内部组织的连续性,也使管壁强度降低. 爆口背火侧及向火侧硬度比远离爆口的直段硬度 低,可知爆口处背火侧及向火侧材料的力学性能均 有所下降.爆口处胀粗量超出 DL/T４３８－２００９的 规定,表明过热器管已发生明显高温蠕变变形.
根据扩散控制理论[６Ｇ７],金属材料的温度 T 与 运行时间t之间的关系式为
式中:A,B 为金属材料常数.
对于１５CrMo钢,其球化级别 E、金属壁温 T 及运行时间t之间的关系式为[８]
式中:LMP为温度时间相关参数.
通过核查过热器管的工作记录,发现该锅炉为 了配合化工生产需要经常超负荷运行(最大蒸发量 达到８１t??h－１),超负荷运行会引起烟气流量增加, 烟气温度升高,还会引起过热蒸汽超温.当过热器 管的运行时间t＝２０３５６h时,球化级别E＝５,由式 (２)和式(３)计算得到过热器管运行时的平均壁温 T＝８４２K(５６９ ℃).
１５CrMo珠光体耐热钢在电力行业应用广泛, 其用于过热器管时,由于管道外部有高温烟气冲刷, 管道内部是高温高压蒸汽,长期在高温高压下超负 荷运行,钢材会出现珠光体球化、合金元素重新分配 等问题,其持久强度、蠕变强度等力学性能均会下降 而导致爆管[９Ｇ１１].因此１５CrMo钢使用时壁温应不 大于５６０ ℃,由上述分析可知该过热器管处于长期 过热状态,导致材料组织劣化,高温性能及常温性能 下降,最终发生开裂.综合判断该过热器管的失效 模式为长期过热引起的蠕变开裂.
３ 结论
由于锅炉长期超负荷运行,导致过热器管长期 过热加速氧化层的形成.氧化层传热能力差引起过 热器管壁超温,从而造成管材组织劣化并形成蠕变 孔洞及显微裂纹,导致过热器管强度降低最终造成 爆管.过热器管的失效模式为长期过热引起的高温蠕变开裂.
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