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圖1 典型爆口的宏觀形貌

典型爆管的爆口宏觀形貌如圖1所示，可見爆口呈現(xiàn)出典型的瞬時過熱開裂特征，未見長時超溫蠕變龜裂特征，主要表現(xiàn)為：主爆口張開較大，邊緣薄，內(nèi)?外壁無細小的微裂紋，爆口附近管段發(fā)生嚴重脹粗。此外，相鄰管子外壁結渣嚴重，渣為淺紅褐色，較為堅硬，推測可能為鐵的氧化物。

表1 爆管和備管化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

由表1可見其化學成分均符合ASME SA213/SA213M-2007«鍋爐?過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子技術條件»對SA213-T22低合金耐熱鋼的技術要求。

對高溫過熱器備管?相鄰管和爆管進行室溫?高溫拉伸試驗和布氏?維氏硬度試驗，結果見表2和表3。

表2 室溫拉伸試驗及硬度測試結果%

由表2可知，備管?相鄰管?爆管的力學性能均符合ASME SA213/SA213M-2007技術要求；相鄰管的抗拉強度下降為備管的93%，屈服強度下降為備管的72%，這表明相鄰管經(jīng)2×104h運行后，發(fā)生了明顯的材料老化現(xiàn)象；爆管的抗拉強度上升為備管的116%，屈服強度上升為備管的109%，布氏硬度上升為備管的117%，但斷后伸長率卻降至標準臨界值，這表明爆管發(fā)生了過熱或過燒現(xiàn)象，產(chǎn)生相變而導致材料變脆。

表3 高溫拉伸試驗結果%

由表3可知，高溫拉伸試驗結果與室溫拉伸試驗結果顯示出相同的變化規(guī)律，即：與備管相比，相鄰管高溫抗拉強度和屈服強度下降明顯，表明相鄰管經(jīng)2×104h運行后，力學性能下降；爆管的高溫抗拉強度和屈服強度升高，這是由爆管材料發(fā)生異常相變所致。

圖2 管子的顯微組織形貌

在拋光狀態(tài)下對金相試樣進行夾雜物評定，夾雜物評定標準為GB/T 10561-2005«鋼中非金屬夾雜物含量測定——標準評級圖顯微檢驗法»。經(jīng)評定，備管的脆性夾雜物均小于1級，塑性夾雜物小于0.5級。

由圖2可知，備管的顯微組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度7~8級；相鄰管的顯微組織為鐵素體+碳化物，并可見晶內(nèi)碳化物彌散分布，晶界碳化物為鏈狀排列，僅可見少量貝氏體痕跡，其顯微組織已處于較嚴重老化階段，晶粒度7~8級；爆管的顯微組織為白亮塊狀鐵素體+ 粒狀貝氏體，晶粒度7~8級。此外，對爆管進行了內(nèi)?外壁微觀觀察，均未發(fā)現(xiàn)平行于主爆口的次生蠕變裂紋，亦無蠕變孔洞，排除了該管子蠕變脹粗開裂的可能性。

相鄰管?爆管的金相檢驗結果與力學性能試驗結果互相印證，主要表現(xiàn)為：①相鄰管顯微組織老化現(xiàn)象顯著，合金元素從基體中析出，與碳形成碳化物，大大降低了合金的固溶強化作用，宏觀上表現(xiàn)為材料強度與硬度的降低；②管子發(fā)生爆管時，由于管內(nèi)蒸汽快速泄漏造成管壁金屬溫度急劇升高(煙氣加熱)，冷卻時發(fā)生相變，宏觀上表現(xiàn)為抗拉強度和硬度的升高，但斷后伸長率降低至標準臨界值。

對爆管?相鄰管內(nèi)壁(蒸汽側)氧化層的微觀形貌進行分析，并測量內(nèi)壁氧化層厚度，如圖3所示?？梢娤噜徆軆?nèi)壁蒸汽側氧化層為典型的多層結構，爆管?相鄰管的氧化層厚度分別為0.48mm和0.40mm。

圖3 爆管內(nèi)壁氧化層微觀形貌

使用EDAX DX-4型X射線能量分散譜儀對爆管的內(nèi)?外壁氧化層和下彎頭處管內(nèi)沉積物進行相結構分析。結果表明：①爆管內(nèi)壁氧化層為鐵?鉻?鉬的氧化物，但并不是均勻的，分層結構中合金元素鉻?鉬有明顯的梯度變化，外層的均勻?qū)雍褪杷蓪觿t均為單一鐵的氧化物；②彎頭內(nèi)的沉積物形貌為黑灰色均勻薄片，其相結構中FeFe2O4(FeFe2O4為Fe2+和Fe2+氧化物的混合體)占54.2%，F(xiàn)e2O3占45.8%，是爆管內(nèi)壁鐵的氧化物脫落沉積形成的。

高溫過熱器管子的內(nèi)壁氧化層為典型的多層膜結構，合金元素鉻?鉬在各層中均有分布，但各層中的含量有明顯的高低差異。針對高溫過熱器管內(nèi)壁氧化層剝落機理的研究表明：氧化膜在開始時形成速率很快，一旦形成后，氧化速率便會下降，與時間呈拋物線關系。但在超溫或溫度?壓力波動條件下，金屬表面的雙層膜結構就會變成多層膜結構，這時氧化速率與時間之間變成直線關系，氧化層的剝離通常發(fā)生在多層結構之間。爆管事故中過熱器管下彎頭的沉積物即為管子內(nèi)壁氧化層剝落產(chǎn)物。

FeO為金屬不足型半導體氧化物，低溫下不形成，在高溫的特定溫度區(qū)間可穩(wěn)定存在。對于純鐵，F(xiàn)eO存在溫度為570~575 ℃，對于低碳鋼，F(xiàn)eO存在溫度為>600℃，對于低鉻合金鋼，F(xiàn)eO 存在溫度為>650℃，如圖4和圖5所示。

圖4 低碳鋼在不同溫度下形成的氧化膜類型

圖5 低鉻合金鋼在不同溫度下形成的氧化膜類型

FeO經(jīng)高溫緩慢冷卻后，轉變?yōu)镕e3O4。因此，參考圖4和圖5，并結合爆管內(nèi)外壁氧化層形貌?氧化層分層結構和組分等，推斷爆管內(nèi)壁氧化層形成溫度超過650℃，管子爆裂前長期超溫運行。

對于鍋爐高溫過熱器管，由于蒸汽介質(zhì)作用，在管子內(nèi)壁會形成氧化層。溫度越高，界面反應速率越快，氧化速率也越快。同時，管子內(nèi)壁氧化層的增厚與金屬超溫運行互為關聯(lián)：由于氧化層的傳熱熱阻較大，阻隔了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱量交換，從而導致管壁金屬溫度進一步升高，而溫度升高又加速了其氧化過程，從而形成惡性循環(huán)。

美國電力研究協(xié)會(EPRI)對鍋爐高溫過熱器的氧化層剝落機理進行了研究，研究結果認為：過熱器管內(nèi)壁氧化層的剝落，主要是由于運行工況的變化造成，如金屬超溫運行?溫度和壓力波動變化?金屬材料固有特性等。燃煤電廠運行管理經(jīng)驗表明，由于機組啟停時溫度和壓力變化最大，特別容易出現(xiàn)內(nèi)壁氧化層自動剝離脫落問題，并在管子下彎頭處堆積。

日本IHI株式會社和丹麥ELSAM電力公司的研究亦均指出：氧化層的成長存在邊界效應，即隨時間推移氧化層達到臨界厚度時，氧化層開始剝落。氧化層剝落的主要原因是氧化層與母材的膨脹系數(shù)不同，在載荷變化迅速?鍋爐啟停等情況下，氧化層易剝離。對于鐵素體鋼，氧化層開始剝落的臨界厚度是500μm。

由宏觀觀察可知，爆管的爆口呈現(xiàn)明顯的瞬時過熱開裂特征。

力學性能試驗結果表明：

①相鄰管經(jīng)2×104h運行后，室溫和高溫強度均明顯下降，但未低于標準值，這表明一方面管子發(fā)生了明顯的材料老化現(xiàn)象，另一方面管子強度尚滿足設計要求，當蒸汽流量等參數(shù)正常時不至于發(fā)生爆管；

② 爆管的室溫和高溫強度比備管的高，結合爆管的顯微組織及爆裂過程，推測管子爆裂前管內(nèi)蒸汽流量異常降低致使管子發(fā)生了過熱或過燒現(xiàn)象，最終導致管子瞬時過熱而爆管。