過熱器是鍋爐的重要組成部分，是把飽和蒸汽加熱至一定溫度過熱蒸汽的設(shè)備。過熱器的服役溫度高、承受壓力大、使用環(huán)境復(fù)雜苛刻，長期運行時易發(fā)生材料老化、磨損、過熱、腐蝕、蠕變或熱疲勞等現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至發(fā)生鍋爐非計劃停機事故，影響機組的安全性和經(jīng)濟性[1-2]。12Cr1MoVG鋼具有較高的持久強度、良好的抗氧化性、無熱脆傾向、較好的焊接性能等特點，主要應(yīng)用于鍋爐等高溫零部件中，如蒸汽溫度低于540 ℃的鍋爐集箱和蒸汽管道，以及金屬外壁溫度低于580 ℃的過熱器、再熱器等[3]。 

某公司蒸汽鍋爐投入運行不足2 a就發(fā)生高溫過熱器爆管事故，造成非計劃停爐。該鍋爐高溫過熱器的額定工作溫度為420 ℃，額定工作壓力為4.43 MPa。過熱器管規(guī)格為60 mm×5 mm（外徑×壁厚），材料為12Cr1MoVG鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該鍋爐過熱器爆管的原因，以避免該類事故再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

過熱器爆裂管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：爆口處有鼓脹現(xiàn)象，塑性變形明顯，裂口從鼓脹區(qū)軸向開裂，至徑向撕裂，爆口邊緣銳利，壁厚嚴(yán)重減薄，經(jīng)測厚發(fā)現(xiàn)最薄處約為0.5 mm；過熱器管內(nèi)壁可見較厚的垢層，厚度約為1.5 mm，垢層堅硬、不易剝落；爆口處未見垢層，原因為爆管時蒸汽壓力導(dǎo)致垢層脫落。從爆口形貌特征判斷，過熱器管爆裂性質(zhì)為短時超溫爆裂。 

圖  1  過熱器爆裂管宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，采用電火花直讀光譜儀對過熱器管進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：過熱器管材料的化學(xué)成分合格，符合GB/T 5310—2017對12Cr1MoVG鋼的要求。 

1.3   拉伸試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》，在過熱器遠離爆口的直管段取樣，對試樣進行室溫拉伸試驗，結(jié)果如表2所示。由表2可知：過熱器管的室溫拉伸性能合格，符合GB/T 5310—2017對12Cr1MoVG鋼的要求。 

1.4   硬度測試

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，在爆口處、離爆口500 mm和遠離爆口的位置取樣，由于爆口處管壁減薄量大，故對其進行表面維氏硬度測試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：爆口處材料的硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值；離爆口500 mm的材料硬度仍低于標(biāo)準(zhǔn)值，接近標(biāo)準(zhǔn)下限；遠離爆口材料的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)值。 

1.5   金相檢驗

依據(jù)DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》對觀察面進行金相檢驗。首先在爆口處取樣，其顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：爆口試樣顯微組織中的珠光體形態(tài)幾乎消失，晶內(nèi)碳化物顯著減少，按DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》進行球化評級，可知該顯微組織發(fā)生5級嚴(yán)重球化。在離爆口500 mm位置取樣，其顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知，該試樣顯微組織中僅局部區(qū)域有少量珠光體痕跡，碳化物明顯聚集長大，屬于4.5級完全球化。在遠離爆口位置取樣，其顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知，該試樣顯微組織中珠光體區(qū)域開始分散，形態(tài)仍較清晰，晶界有碳化物析出，屬于2.5級輕度球化。 

圖  2  爆口試樣的顯微組織形貌

圖  3  離爆口500 mm處試樣的顯微組織形貌

圖  4  遠離爆口處試樣的顯微組織形貌

1.6   垢層分析

利用能譜儀對爆口處內(nèi)壁垢層進行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：垢層化學(xué)成分中以Fe元素和O元素為主，說明垢層物質(zhì)為鐵的氧化物，未見Ca、Mg等常見水垢元素，分析該垢層物質(zhì)應(yīng)為服役過程中腐蝕形成的鐵垢。 

圖  5  爆口處內(nèi)壁垢層SEM形貌及能譜

2.   綜合分析

由爆管的宏觀形貌可知，換熱管爆口區(qū)域塑性變形明顯，邊緣壁厚減薄量大，具有短時超溫爆管的特征。硬度測試結(jié)果顯示，爆口處硬度平均值為123 HV，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求135~195 HV，遠離爆口處硬度平均值為155 HV，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。金相檢驗結(jié)果表明，爆口組織嚴(yán)重球化，珠光體形態(tài)幾乎消失，晶內(nèi)碳化物顯著減少，但未見裂紋，依據(jù)DL/T 773—2016標(biāo)準(zhǔn)評級，得到爆口處組織已達到球化5級。離爆口500 mm位置處僅局部區(qū)域有少量珠光體痕跡，碳化物明顯聚集長大，達到球化4.5級。遠離爆口組織的珠光體形態(tài)清晰，晶界有碳化物析出，屬于2.5級輕度球化。可見越靠近過熱器管爆口，顯微組織中珠光體球化級別（損傷）越高。研究顯示[3]，隨著顯微組織球化程度的加劇，硬度會逐漸降低，球化中期硬度下降較快，球化后期硬度下降相對平緩。不同區(qū)域硬度的變化與顯微組織球化趨勢吻合。 

溫度是影響珠光體球化速率的重要因素[4]。該鍋爐投運后服役不足2 a，其高溫過熱器額定工作溫度為420 ℃，而爆口處材料組織球化已達5級，遠遠超過12Cr1MoVG鋼在許用溫度（≤580 ℃）服役相同時間的損傷程度。長期超溫服役是材料加速球化損傷的直接原因。過熱器管內(nèi)壁嚴(yán)重結(jié)垢，能譜分析顯示垢層中有較高含量的Fe、O元素，垢層物質(zhì)為鐵的氧化物，屬于氧化鐵垢。氧化鐵垢的導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為鋼的1/10左右。內(nèi)壁結(jié)垢會降低高溫?zé)煔馀c過熱蒸汽的換熱效率，導(dǎo)致過熱器管壁面溫度升高。當(dāng)壁溫超過材料規(guī)定使用溫度的上限時，過熱器管進入超溫服役狀態(tài)。 

查閱鍋爐運行日志，發(fā)現(xiàn)在爆管近期鍋爐都是高負荷運行。分析日志顯示爐水氧含量超標(biāo)，會導(dǎo)致過熱蒸汽中的氧含量偏高。當(dāng)鍋爐高負荷運行時，蒸汽流量大、流速快，容易造成蒸汽帶水，引起過熱器管內(nèi)壁腐蝕，生成Fe3O4，這是鐵垢的來源[5]。鍋爐在啟停或負荷調(diào)整時，容易出現(xiàn)蒸汽流量變動大或爐內(nèi)溫降過快的現(xiàn)象，由于金屬與氧化鐵垢的膨脹系數(shù)不同，因此過熱器鐵垢會發(fā)生分離、脫落。脫落后的鐵垢在過熱器中聚積，多數(shù)是在下彎頭底部沉積，造成過熱蒸汽流速變慢，引起過熱器直管段管壁面溫度上升。長期超溫運行導(dǎo)致過熱器管材料嚴(yán)重劣化，強度下降，此時壁面溫度繼續(xù)上升，在工作壓力和熱應(yīng)力的作用下，過熱器發(fā)生鼓脹，進而發(fā)生爆管事故。 

3.   結(jié)論與建議

（1）該過熱器管材料的化學(xué)成分合格，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的要求。 

（2）內(nèi)壁結(jié)垢導(dǎo)致過熱器管長期超溫運行，材料組織嚴(yán)重球化，力學(xué)性能下降。長期高負荷運行使垢層脫落并在下彎頭沉積，引起直管段嚴(yán)重超溫，在工作壓力和熱應(yīng)力的作用下發(fā)生鼓脹，進而引起爆管事故。 

（3）建議嚴(yán)格控制爐水中的溶解氧含量，確保爐水滿足鍋爐使用標(biāo)準(zhǔn)，避免鍋爐長期高負荷運行。

文章來源——材料與測試網(wǎng)