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過熱器管作為鍋爐的重要部件，一旦失效會導(dǎo)致鍋爐非計劃停運從而造成重大損失。其常見的失效方式有蠕變、疲勞、腐蝕、侵蝕、氫脆、焊接處性能劣化、高溫短期過熱、氧化、堿蝕、磨損以及應(yīng)力腐蝕等。

事故背景

某化工廠電站鍋爐為Q190/900-65-3.82/450型煙道式余熱鍋爐，該鍋爐額定蒸發(fā)量為65t·h^-1，高溫過熱蒸汽出口壓力為3.82MPa，出口蒸汽溫度為450℃，給水溫度為105℃。投產(chǎn)運行20356h后，其出口側(cè)高溫過熱器管(規(guī)格為60mm×5mm，材料為15CrMo珠光體耐熱鋼)發(fā)生爆管造成整套裝置非計劃停機。

理化檢驗

宏觀檢查

圖1 失效過熱器管宏觀形貌

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，該過熱器管爆口最大寬度為5mm，長度為35mm，如圖1所示。其中爆口邊緣鈍且粗糙，爆口周圍有許多與裂口方向平行的縱向裂紋，爆口呈脆性開裂。爆口處管壁減薄不多，管的外徑存在明顯脹粗現(xiàn)象，管的內(nèi)外壁氧化皮均呈深黑色。

化學(xué)成分分析

對過熱器管取樣采用FOUNDR-MASTER PRO型全譜火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 過熱器管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

可見該過熱器管材料各元素含量均符合GB 5310-2008«高壓鍋爐用無縫鋼管»的要求。

金相檢驗

在過熱器管爆口各部位截取金相試樣，經(jīng)過打磨拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為4％的硝酸酒精溶液浸蝕，然后使用Axio Observer A1m型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖2a)可見，爆口向火側(cè)近外表面顯微組織為鐵素體＋珠光體，珠光體球化5級(根據(jù)DL/T 787—2001«火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)»判定)，已完全脫碳，三叉晶界處存在較大量的蠕變孔洞及蠕變裂紋；由圖2b)可見，爆口背火側(cè)近外表面顯微組織也為鐵素體＋珠光體，珠光體球化4~5級，三叉晶界處觀察到極少量的蠕變孔洞。

圖2 過熱器管爆口各部位的顯微組織

管壁形貌分析

使用光學(xué)顯微鏡分別觀察過熱器管爆口向火側(cè)和背火側(cè)的橫截面的形貌。

圖3 過熱器管爆口處向火側(cè)內(nèi)外管壁形貌

由圖3可見，爆口向火側(cè)內(nèi)外壁均有裂紋并擴展至管壁深處，裂紋尖端及周圍存在蠕變孔洞，裂紋內(nèi)部存在氧化物，管壁內(nèi)部分蠕變孔洞沿晶界呈鏈狀排列，形成晶界顯微裂紋。

圖4 過熱器管爆口處背火側(cè)內(nèi)外管壁形貌

由圖4可見，爆口背火側(cè)外壁有裂紋從表面擴展到內(nèi)部，裂紋尖端存在蠕變孔洞，基體內(nèi)晶界處也觀察到蠕變孔洞；爆口背火側(cè)內(nèi)壁存在蠕變孔洞。爆口向火側(cè)和背火側(cè)內(nèi)外壁氧化層的厚度均約為400μm(氧化層總厚度約800μm)，超過了TSG G7002-2015«鍋爐定期檢驗規(guī)則»中關(guān)于氧化層厚度不大于600μm的要求。

硬度測試

使用401MVA型維氏顯微硬度計對過熱器爆口向火側(cè)橫截面、背火側(cè)橫截面、遠(yuǎn)離爆口的直段橫截面進(jìn)行硬度測試，載荷為1.96N。測得硬度平均值分別為133.5，137.5，157.7HV，硬度值是工程中力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)，可知爆口處背火側(cè)及向火側(cè)材料的力學(xué)性能均有所下降。

脹粗量計算

除去失效過熱器管外表面的灰塵和鐵銹后，將該管爆口中心橫截面記為A截面，自A截面起每隔15mm依次記為B，C，D，E截面。用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺測量各截面上兩個相互垂直方向的管道外徑值，取兩者算術(shù)平均值再得出截面的脹粗量，計算結(jié)果如表2所示。

表2 過熱器管爆口處外徑和脹粗量數(shù)值

可見爆口中心截面的脹粗量最大，距離爆口中心最遠(yuǎn)截面的脹粗量最小。所測截面的脹粗量均超出DL/T 438-2009«火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程»的規(guī)定(低合金鋼管外徑脹粗量不大于2.5％)，該爆口處已發(fā)生明顯高溫蠕變變形。

分析與討論

過熱器管爆口呈脆性開裂，具有長期超溫過熱爆管的宏觀特征。爆口向火側(cè)和背火側(cè)近外表面顯微組織均為鐵素體＋珠光體，三叉晶界處存在蠕變孔洞及蠕變裂紋，爆口組織的珠光體球化達(dá)到5級已完全脫碳，可見爆口處向火側(cè)及背火側(cè)近外表面顯微組織已嚴(yán)重老化。爆口向火側(cè)和背火側(cè)內(nèi)外壁氧化層總厚度達(dá)到800μm，超過了TSG G7002-2015中關(guān)于氧化層厚度不大于600μm的要求。氧化層的存在減少了過熱器管的有效壁厚(厚度由5.0mm減少到4.2mm)，由于氧化層的傳熱效果比金屬的差，氧化層的超標(biāo)將引起過熱器管壁溫度升高而導(dǎo)致管壁強度降低。蠕變孔洞及裂紋的存在，破壞了管壁內(nèi)部組織的連續(xù)性，也使管壁強度降低。爆口背火側(cè)及向火側(cè)硬度比遠(yuǎn)離爆口的直段硬度低，可知爆口處背火側(cè)及向火側(cè)材料的力學(xué)性能均有所下降。爆口處脹粗量超出DL/T 438-2009的規(guī)定，表明過熱器管已發(fā)生明顯高溫蠕變變形。根據(jù)擴散控制理論，金屬材料的溫度T與運行時間t之間的關(guān)系式為

結(jié)論