摘 要:某锅炉旋风分离器水冷壁过热管多次发生开裂事故,采用宏观观察、化学成分分析、金 相检验、硬度测试、扫描电镜及能谱分析等方法对开裂原因进行分析。结果表明:过热管长期处于 450℃以上的高温状态,珠光体组织球化明显,显微组织的劣化导致过热管的强度和硬度下降;被 氧化腐蚀减薄的过热管在蒸汽压力的作用下胀粗变形,最终导致过热管开裂。 

关键词:过热管;氧化腐蚀;珠光体球化;开裂 

中图分类号:TG115.5                   文献标志码:B                           文章编号:1001-4012(2023)08-0055-04 

水冷壁过热管是锅炉实现热量传递与交换的主 要部件,也是锅炉的主要受热部件,其失效情况较为 常见。水冷壁管爆管失效不仅会导致锅炉停机,造 成很大的经济损失,还可能会引发严重的安全事 故[1-3]。 

某化纤公司的锅炉旋风分离器水冷壁过热管自 投入使用以来,两次发生爆管开裂事故,发生开裂的 部位不同,但均位于旋风分离器处,爆管造成大量蒸 汽泄漏,严重影响机组的安全稳定运行。开裂过热管 的材料为20G钢,成型工艺为热轧,热处理状态为正 火。管内介质为水和过热蒸汽,正常工作温度为384 ℃,压力为13.4MPa。笔者采用一系列理化检验方法 分析其开裂原因,以防上该类问题再次发生。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

开裂过热管宏观形貌如图1所示,第一次爆管 区域表面有明显的黑色皲裂物质,初步判断该物质 为高温下的氧化或碳化产物,同时该管爆管位置有 明显 的 胀 粗 现 象,管 外 径 由 38 mm 胀 粗 至 40.5mm。第二次爆管区域内表面也发现了黑色物 质。为了方便区分,将第一次爆管区域命名为1号 试样,将第二次爆管区域命名为2号试样,将第二次 爆管区域附近的未爆管管子命名为3号试样,将新 装的管子命名为4号试样。 

1.2 化学成分分析 

使用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,结 果如表1所示,由表1可知:试样的化学成分均符合GB/T5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对20G 钢管的要求。

1.3 金相检验 

制备金相试样,将其磨制、抛光后,采用光学显 微镜对其进行观察。1号试样的显微组织为铁素体 +珠光体,表面有很多黑色氧化物,氧化严重,晶粒 度级别大于 10 级,不符合 GB/T5310—2017 对 20G钢(晶粒度4~10级)的要求,球化级别为5级, 球化严重,1号试样的显微组织形貌如图2所示。2 号试样的显微组织与1号试样相似,为铁素体+珠 光体,氧化严重,晶粒度级别大于10级,球化级别为 5级,球化严重,2号试样的显微组织形貌如图3所 示。3号试样的显微组织为铁素体+珠光体,表面 黑色氧化物较少,晶粒度级别大于10级,球化级别 为1级,有轻微球化,3号试样的显微组织形貌如图 4所示。4号试样的显微组织为铁素体+珠光体,晶 粒度级别为10级,符合要求,珠光体形态清晰,未见 球化,4号试样的显微组织形貌如图5所示。

1.4 维氏硬度测试

使用维氏硬度计对试样进行硬度测试,结果如 表2所示。与3号试样和4号试样相比,1号试样 和2号试样的维氏硬度明显偏低,结果不符合 GB/ T5310—2017对20G钢的要求。

1.5 扫描电镜(SEM)和能谱分析 

使用场发射扫描电镜对2号试样的断口和表面 进行扫描电镜及能谱分析。断口处大部分区域覆盖 着腐蚀产物,能谱分析显示腐蚀产物主要含有 Fe 元素和 O元素,即该腐蚀产物主要为铁元素的氧化 物,并含少量钙盐,钙盐主要来自管内介质水,2号 试样断口和表面的SEM 形貌如图6,7所示,能谱 分析结果如表3所示。2号试样表面也覆盖着疏松 的腐蚀产物,该腐蚀产物主要为铁元素的氧化物,并 含少量钙盐。

2 综合分析 

从理化检验结果来看,过热管的化学成分符合 GB/T5310—2017对20G 钢的要求。由金相检验 结果可知,1号和2号试样表面氧化严重,珠光体已 发生明显球化,局部区域已完全球化,这说明失效过热管长期受到高温作用。同时,1号和2号试样的 晶粒度均大于10级,不符合 GB/T5310—2017对 20G钢晶粒度为4~10级的要求,晶粒度太小会降 低金属材料在高温下的蠕变性能。由开裂过热管与 未开裂过热管的维氏硬度测试结果可知,开裂过热 管长期经受高温作用,其珠光体已经球化,因此硬度 也明显偏低。对2号试样的扫描电镜和能谱分析结 果显示,管表面和开裂断口处均覆盖有腐蚀产物,氧 化严重,说明开裂过热管长期承受氧化腐蚀作用。

该水冷壁过热管的材料为20G 钢,一般来说, 这种材料的推荐使用温度为-20~430℃,当超过 450℃时,其显微组织将快速劣化,强度也将显著下 降[4-7]。生产实践表明,20G钢管长期处于450℃以 上时,珠光体将明显球化,导致其高温强度、高温持 久蠕变性能及硬度等力学性能明显降低,同时钢管 在高温下更易受氧化腐蚀,管壁逐渐减薄,这时在管 内高压蒸汽的压力下,管壁发生胀粗变形现象,最终 导致过热管爆管失效[8-10]。

综上分析,1号和2号试样发生明显过热现象, 显微组织和硬度均不符合 GB/T5310—2018标准 要求,这应该是开裂的主要原因。锅炉管爆管的主 要原因有:① 管内有异物,使管子堵塞;② 低负荷 运行,蒸汽流量不足引起管子过热爆管;③ 炉膛内 温度分布不均匀,导致管子局部温度较高,引起开裂爆管。同时,1号和2号试样的晶粒度大于10级, 均不符合GB/T5310—2018标准对20G钢的晶粒 度为4~10级的要求。

3 结论及建议 

该锅炉旋风分离器水冷壁过热管的两处爆管区 域均发生过热现象,其力学性能发生改变,材料性能 劣化,已不满足GB/T5310—2018标准要求。 

建议加强对无缝钢管的质量管控,在条件允许的 情况下,增加验收工序;建议加强对锅炉运行情况的 监控,尽量避免出现低负荷运行、超温运行等情况。

参考文献: 

[1] 韩志远.某热电厂600MW 锅炉水冷壁管开裂原因 [J].理化检验(物理分册),2021,57(2):60-62. 

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[5] 崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理[M].北京:机械工 业出版社,2007. 

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[10] 徐文华.工业锅炉过热器常见爆管原因分析及处理方 法探讨[J].工业锅炉,2005(5):40-42.

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 8期 (pp:55-58)>