分享：低温过热器管开裂原因

摘 要:某化工厂燃油锅炉低温过热器管发生开裂,采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫 描电镜分析、力学性能测试等方法分析了开裂原因。结果表明:低温过热器管开裂的原因是管壁材 料珠光体球化严重,使管壁迎火面的抗拉强度和屈服强度下降,管壁的耐热性能下降,从而导致低 温过热器管发生开裂。 

关键词:低温过热器管;开裂;12Cr1MoV钢;珠光体球化 

中图分类号:TB31;TG115.2                 文献标志码:A                        文章编号:1001-4012(2023)06-0015-04

过热器为工厂锅炉的重要组成部件,在运行过 程中承受着高温、高压和介质腐蚀的作用,过热器管 的品质关系到整个锅炉的安全运行。过热器管失效 十分常见,主要的原因为短时或长时超温、应力腐 蚀、材料老化等。 

12Cr1MoV钢是一种低合金高强度钢,具有较 好的持久塑性和抗氧化性能,一直是高温、高压管道 和受热面管等承压部件的首选材料,被广泛应用于 管壁温度为550℃的高温、高压锅炉过热器管和蒸 汽管中。12Cr1MoV钢制承压部件长期在高温、高 压及交变应力工况下运行,材料容易发生珠光体球 化、固溶体合金元素贫化及碳化物聚集等问题[1-3], 并使管道的抗拉强度、硬度等逐渐下降,给设备的安 全稳定运行造成隐患[4]。 

某化工厂公用工程车间的锅炉(型号为BA-34) 低温过热器管发生爆管。该锅炉于1986年7月正 式投入运行,于2021年7月检修中发现一级过热器 管开裂,且该过热器管于2016年发生过爆管。笔者 采用一系列理化检验方法对低温过热器管的爆管原 因进行分析,并根据分析结果提出相关建议,以避免 该类事故再次发生。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

两根炉管管壁壁厚的测量结果如表1所示, 从表1可以看出,3处轴向裂纹处壁厚减薄严重, 尤其 是 2# 管 堆 焊 处 轴 向 裂 纹 处 壁 厚 减 薄 了 38.5%。1# 管轴向裂纹外侧长度约为76mm,内 侧长度约为67mm,最大开口宽度约为2.4 mm (见图1)。2# 管堆焊处有长条状裂纹,外侧裂纹 长度约为81mm,内侧裂纹长度约为37mm(见图 2),2# 管的轴向长裂纹由多条短裂纹组成,从外侧裂纹可以看到有多个起裂源,外侧裂纹长度约为 107mm,内侧裂纹长度约为93mm(见图3)。根 据裂纹长度推断,裂纹由外壁向内壁扩展,且3条 裂纹都出现在迎火面。

1.2 化学成分分析 

在管道上取样后,利用直读光谱仪对试样进行 化学成分分析,结果如表2所示,可以看出结果符合 GB/T5310—2017《高 压 锅 炉 用 无 缝 钢 管 》对12Cr1MoV钢的要求。

1.3 金相检验 

在过热器管上远离裂纹部位取样,并将试样置 于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可 知:远离裂纹处的过热器管显微组织为珠光体和铁 素体,片状珠光体区域内的碳化物已显著分散,碳化 物呈球状,但仍保持原有的区域形态,根据 DL/T 773—2001《火电厂用 12Cr1MoV 钢球化评级标 准》,该组织属于中度球化(3级)。

对过热器管裂纹附近进行取样,并将其置于光 学显微镜下观察,结果如图5所示。图5a)和图5b) 中1# 管轴向裂纹和2# 管堆焊处轴向裂纹附近显微 组织中仅有极少量的珠光体,大部分碳化物已分布 在铁素体晶界上,为完全球化(4级);图5c)中2# 管轴 向长裂纹附近显微组织的珠光体已经完全消失,碳化 物粒子在晶界区域呈链状分布,为严重球化(5级)。

1.4 扫描电镜(SEM)分析

为了进一步分析低温过热器管裂纹产生的原 因,采用扫描电镜分别对1# 管轴向裂纹和2# 管堆 焊处轴向裂纹的两个断口进行分析,结果如图6所 示,由图6可知:断口表面覆盖着大量氧化物,表面 有较多微小孔洞,微小孔洞内部含有颗粒状夹杂物。 图7为2# 管堆焊处轴向裂纹断口SEM 形貌,由图 7可以看出,堆焊处以解理断裂为主,且存在大量密 集的孔洞,这是高温蠕变的典型特征。断口附近的 碳化物已经出现聚集和蠕变孔洞,局部区域的蠕变 孔洞已经连成串,形成微裂纹。

1.5 力学性能测试 

对低温过热器管进行室温和高温力学性能测 试,在迎火面和背火面处分别取样,试样厚度为 3mm,拉伸试样夹持端长度为25mm(便于安装)。 按照GB/T228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1 部分:室温试验方法》制备拉伸试样,利用万能液压 试验机对试样进行拉伸试验,结果如图8,9所示,图 8中3条虚线分别代表12Cr1MoV 钢的抗拉强度、 屈服强度和断后伸长率的标准值。由图8,9可知: 在室温条件下,低温过热器管迎火面的抗拉强度和屈服强度略低于12Cr1MoV 钢的标准值,背火面的 抗拉强度和屈服强度都符合要求,迎火面和背火面 拉伸试样的断后伸长率也都符合要求;在高温条件 下,随着温度的升高,低温过热器管的抗拉强度和屈 服强度都逐渐降低,且迎火面的力学性能低于背火 面的力学性能,这也是4条裂纹都产生在迎火面的 原因。 

对室温 拉 伸 试 样 的 断 口 进 行 分 析,断 口 的 SEM 形貌如图10所示,可以发现迎火面和背火面 的断口都存在尺寸小且深度浅的韧窝,呈韧性断 裂特征。

1.6 硬度测试 

根据GB/T4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分:试验方法》,用显微硬度计对3处裂 纹区域、正常迎火面及背火面进行硬度测试,停留时 间为15s,测试结果如表3所示。可以看出,正常迎 火面 的 平 均 硬 度 小 于 正 常 背 火 面,且 都 符 合 12Cr1MoV钢的标准硬度(135~195HV)。

2 结论与建议 

(1)低温过热器管开裂的原因是管壁材料的珠光体球化严重,导致管壁迎火面的抗拉强度和屈服 强度下降,管壁的耐热性能降低。 

(2)裂纹以外区域的显微组织正常,球化级别 较低,4处裂纹都产生了不同程度的珠光体球化,其 中球化等级最高达到5级,处于完全球化状态。 

(3)低温过热器管迎火面的抗拉强度和屈服强 度较背火面的抗拉强度和屈服强度分别下降了 23.16%和30.31%,在高温条件下,其力学性能下降 得更为明显。 

根据以上结论,给出以下建议。

(1)严格运行管理,以防止由人员操作不当引 起的表面过热。

(2)应用新材料、新技术、新工艺,对过热器管 易磨损部位进行刷涂处理等工艺,消除应力集中,增 加设备的修复强度。 

(3)对压力部件的焊接接头进行检查,加强对 壁温和烟温等测量点的维护,加强对管材的质量检查,以便尽早发现管材的腐蚀隐患。 

(4)采用炉管寿命管理系统,记录炉管温度,评 估炉管的剩余寿命,避免其超温运行。

参考文献: 

[1] 蒋桥红,谢金宏,巴发海.某锅炉12Cr1MoV 钢蒸汽 管道开裂原因[J].理化检验(物理分册),2020,56 (10):30-34. 

[2] 梁秀兰,有移亮,张峥.12Cr1MoV锅炉过热器管长期 过热开裂原因分析[J].机械工程学报,2014,50(8): 81-86. 

[3] 李中伟,冯砚厅,张东文,等.300MW 锅炉再热出口 管道焊缝开裂原因分析[J].热加工工艺,2011,40 (19):196-197. 

[4] 宋玉,郭 岩,李 鹏 刚,等.长 时 运 行 高 温 过 热 器 12Cr1MoV钢寿命评估[J].金属热处理,2021,46 (7):223-229. 

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 6期 (pp:15-18)>