C锅炉低温过热器管开裂分析及对策

2014-05-29王文超杨菁华

化工机械 2014年3期

王文超杨菁华

(1. 兰州蓝星有限公司；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司化学工业设备质量监督检验中心)

化工设备在长期超负荷(温度、压力)运行过程中，必然造成材料的损伤，使设备组成件产生腐蚀、减薄及开裂等，导致泄漏、中毒、火灾甚至爆炸事故频发，从而使企业被迫停车，近年来化工设备的高温失效尤其严重[1]，直接影响了生产的正常进行。笔者针对某厂C锅炉低温过热器管的开裂情况，从宏观和微观两个方面，通过金相分析、断口扫描电镜分析和X射线能谱分析方法对爆管部位进行了分析研究，并对该类失效形式提出了几点预防建议及对策。

1 设备概况

2010年上半年某厂动力车间C锅炉低温过热器管多次发生爆管事故，被迫紧急停车，先后3次对C锅炉低温过热器进行了停车检修。但在同年7月份，C锅炉低温过热器管再次发生多处爆裂，为了实现安全长周期的运行，厂方更换了过热器的所有盘管，但在使用不到3个月的时间里，低温过热器管直管段又出现两处开裂，造成严重的经济损失。

低温过热器管的技术条件如下：

管内压力 9.8MPa

管内温度 300～400℃

管外温度 550～750℃

管内介质蒸汽

管外介质烟气(含SO2、CO、CO2、NOx等)

材料 20G

规格φ42mm×4.0mm

2 宏观检查与测定

C锅炉低温过热器开裂直管段公称尺寸为φ42mm×4.0mm，管段内外表面均附着有较厚的黑色腐蚀产物，由于长期受到管外高温烟气冲刷，管段受火表面沿轴向有大量金属脱落，宽度约50mm(弧长)，并分布有大量轴向裂纹，呈直线状平行排列,开裂部位沿轴向呈梭形位于该范围中央(图1)，裂口长约50mm，最宽处约7mm，开裂部位发现明显鼓胀，鼓胀高度最大约8mm，开裂部位管壁减薄，宏观断口无金属光泽，外观呈现超温爆管特征；管段外表面烟气冲刷范围对应的内表面范围较光滑，也分布有大量轴向裂纹，深度较浅。

图1 C锅炉低温过热器开裂直管段检测部位示意图

开裂直管段受高温烟气冲刷范围内壁厚明显减薄，实测最小壁厚为2.8mm；开裂直管段外表面受高温烟气冲刷范围内硬度普遍较小，其值在HB151～170之间。

经光电发射光谱分析，C锅炉低温过热器开裂直管段材料成分见表1。

表1 管材成分光谱分析数据

注：实测值为四点测试平均值。

由表1可知，开裂管段材料成分符合标称材料(20G)元素含量标准值(GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》)。

3 微观分析

在低温过热器管开裂部位进行取样，对其中的1#样品和2#样品进行扫描电子显微镜观察(图2)与X射线能谱分析。

a. 1#样品外表面

b. 1#样品内表面

c. 1#样品断口边沿微裂纹区

d. 1#样品断口开裂区

e. 1#样品断口过渡区

f. 1#样品断口撕裂区

g. 2#样品径向截面图2 扫描电子显微镜观察样品形貌

1#样品外表面附着有较厚的黑色氧化层(图2a)，分布有大量长宽不等的轴向裂纹，基本呈直线状平行排列，开裂方向垂直于管壁，裂纹周围分布有大量脱落的金属碎片和球化物，能谱分析S含量较高；1#样品内表面有一层致密的腐蚀产物膜(图2b)，没有发现脱落的金属碎片，直线状主裂纹沿轴向平行排列，裂纹较窄，并伴有树枝状的支裂纹，裂口两侧面附着有较厚团絮状腐蚀产物；1#样品主裂纹断口边沿发现有起源于外壁的窄浅的微裂纹(图2c)，通过能谱分析该裂纹内夹有脱落的金属碎片；1#样品断口黑色区域为开裂区，断口形貌呈沿晶开裂特征(图2d)，表面附着有氧化物，并且可以明显观察到大量球化石墨脱离基体后形成的空洞，断口处存在二次裂纹；1#样品断口灰黑色区域为过渡区，断口形貌呈沿晶+穿晶开裂特征(图2e)，可观察到明显台阶状特征，偏向开裂区一侧有较多氧化物，偏向撕裂区一侧石墨化形态更加明显；1#样品断口银灰色区域为撕裂区，断口形貌呈沿晶开裂特征(图2f)，可明显观察到严重的石墨化形态，大部分石墨化球分布于基体中；2#样品径向截面研磨抛光后可观察到裂纹呈直线状延伸(图2g)，并伴有二次裂纹产生。

对2#样品的径向截面进行磨制、抛光，并用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，进行金相分析(图3)。

a. 裂纹宏观形貌 ×50

b. 样品组织石墨化及碳化物聚集 ×400图3 2#样品金相分析照片

金相显微镜从2#样品径向截面低倍下观察到裂纹呈直线状扩展，并伴有二次裂纹产生；径向截面未开裂区域内大量碳化物高度弥散于晶内及晶界，并聚集长大，组织出现珠光体球化和石墨化黑色空洞。

4 结果与对策

过热器管受火面一侧(外壁)长期在550～750℃高温烟气的冲刷下运行，加速了受火面一侧金属的氧化和脱落，同时高温下20G会发生球化、石墨化与蠕变，使材料的力学性明显下降；由扫描电镜和能谱分析可知，管内蒸汽品质不高，使得管内壁积垢严重，降低了换热效率；管内蒸汽温度300～400℃，管外受火面一侧烟气温度达550～750℃以上，形成由管外向管内的温度梯差，使直管段产生了一定的热应力。因此，20G不适宜在420℃以上的温度下使用。

另外，严格控制管内的蒸汽温度及管外的烟气温度，采取适当的措施防止管外壁氧化[2]；应对管壁的温度进行实时监测，避免局部长时间超温运行而导致管壁金属发生球化、石墨化及蠕变失效；加强日常的生产和工艺管理，定期分析化验锅炉水的水质，改善水质的控制措施和处理手段，减少杂质元素，定期清洗管内污垢，防止管壁温度升高造成超温爆管[3]。