刘绍华

（大庆石化公司设备维修中心，黑龙江大庆 163714）

0 引言

在火力发电厂等企业中，水冷壁炉管是蒸汽锅炉的主体部分。在长期高温条件下，水冷壁炉管容易产生珠光体球化、高温蠕变等损伤，进而造成炉管发生爆裂事故[1～8]。2019 年2 月，某石化公司热电厂锅炉车间，一台蒸汽锅炉在检修结束后，刚开始启炉生产就由于MFT 保护动作引起停炉。锅炉检查发现，前墙水冷壁炉管从甲侧往乙侧数第3 个联箱的第62 根炉管发生了爆裂。该蒸汽锅炉于1987 年10 月投入使用，累计运行27.6 万小时。炉管尺寸规格Ф60×5 mm，炉管材料为Q245R，管内温度为320 ℃，工作压力为11 MPa。为查明这起炉管爆裂事故原因，针对62#爆裂炉管以及相邻炉管进行了检测分析，以确定其失效机理，进而采取相应的技术措施消除安全隐患。

1 炉管爆裂形态检查分析

由爆裂炉管宏观形态可以看出，炉管爆裂位于炉管迎火面一侧，爆裂沿着炉管纵向开裂，爆裂处的张开裂口较大（图1）。炉管爆裂处的内壁未发现异常，无较厚的水垢沉积，内壁氧化层也较薄，由此排除结垢过厚造成炉管超温的情况。

图1 爆裂炉管及相邻炉管宏观形态

虽然爆裂炉管的其他部位未发现明显鼓包现象，但是炉管远离爆裂处的管体横截面均有一定程度鼓胀和蠕变减薄现象。测量炉管远离爆裂处的鼓胀外径为63 mm、最小壁厚为4.1 mm，蠕变减薄情况不太严重。这说明炉管爆裂可能不是长期高温蠕变形成的，推断是由于短期超温产生的。

爆裂炉管的外壁氧化层较厚且氧化层由于高温蠕变发生了明显的纵向开裂，而相邻炉管的外壁虽然也有氧化层但是氧化层未发生开裂，说明相邻炉管未发生蠕变。由图2 可知，与爆裂炉管相邻的炉管外壁和壁厚均未发现外径增大和壁厚减薄等异常现象，说明相邻炉管未发生超温蠕变现象。

图2 爆裂炉管和相邻炉管的截面形貌

2 爆裂炉管断口微观检测分析

在爆裂炉管上截取断口试样，由试样宏观形貌可以看出，爆裂炉管的横截面壁厚显示，炉管迎火面管体大部分区域减薄较小，只有在断口附近急剧减薄且断口处剩余壁厚依然较大，这说明爆裂炉管的蠕变周期不长，为短期超温现象（图3）。

图3 爆裂炉管试样的截面宏观形貌

将断口试样用扫描电镜分析断口表面微观形貌，爆裂炉管的断口宽度较小，断口微观形貌特征为塑性韧窝，无脆性解理和沿晶形态，说明炉管材料塑性很好，断口附近也未发现管体轧制常出现的折叠缺陷痕迹，证明炉管材料不存在问题，不是材料缺陷造成炉管爆裂（图4）。

图4 爆裂炉管断口的微观形貌（300 倍）

3 爆裂及相邻炉管金相组织检测分析

在爆裂炉管的不同部位截取试样，在相邻炉管上也截取试样，经过金相砂纸研磨和金刚石抛光，用4%硝酸酒精溶液浸蚀，制备成金相试样，利用金相显微镜对试样的金相组织进行微观分析。

水冷壁炉管的材料为Q245R 低碳钢，轧制后进行正火热处理或者轧制后正火态供货，其金相组织为“较少珠光体+较多铁素体”，其中珠光体为灰黑色晶粒形态。由图5 和图6 可以看出，炉管爆裂部位的金相组织完全不是“珠光体+铁素体”，爆口处的金相组织基本为低碳马氏体，爆口附近的金相组织主要为“贝氏体（属于羽毛状贝氏体类型）+少量低碳马氏体”。马氏体和贝氏体都是金属加热达到奥氏体化组织后经过淬火急冷条件下得到的，其中贝氏体冷却速度略低于马氏体，属于等温淬火。

图5 爆口处的金相组织（500 倍）

图6 爆口附近的金相组织（500 倍）

由图7 可以看出，炉管爆口处对应的背火侧金相组织为正常的“较少珠光体+较多铁素体”组织，晶粒度达到7 级，金相组织中珠光体球化损伤不明显。这证明炉管材料为正火组织，而炉管Q245R 材料不可能进行淬火热处理，原始材料不存在马氏体和贝氏体，因此判断爆口处的马氏体和贝氏体是本次超温爆裂产生的。同时也说明：①炉管超温过热属于短期发生，不是长期积累造成的；②炉管超温过热判断是本次开炉生产发生的；③炉管超温过热程度很高，至少达到金属奥氏体化温度，否则不会发生马氏体和贝氏体相变。

图7 爆口处对应的背火侧金相组织（500 倍）

由图8 可以看出，炉管远离爆裂部位的向火侧金相组织也不是“珠光体+铁素体”，而是“大部分贝氏体+少量低碳马氏体”。这说明该段炉管经历了超温过热后的爆裂进水急冷过程，只是由于远离爆裂部位的炉管壁厚减薄程度较小、急冷速度略低，所以金相组织大部分相变成贝氏体。

图8 远离爆裂处的向火侧金相组织（100 倍）

由图9 可以看出，相邻炉管的向火侧金相组织基本正常，微观组织显示出较少珠光体+较多铁素体，珠光体球化损伤不明显，未发现表面严重脱碳、粗大夹杂物等组织缺陷，这说明相邻炉管的金相组织未发生明显相变、基本无超温过热现象。

图9 相邻炉管的向火侧金相组织（100 倍）

4 炉管爆裂失效分析与技术措施

（1）通过分析发现，蒸汽锅炉62#水冷壁炉管远离爆裂部位存在外径增大和壁厚减薄现象，相邻炉管未发现外径增大和壁厚减薄；爆裂炉管背火侧以及相邻炉管向火侧金相组织正常，而爆裂炉管向火侧为异常组织相变的低碳马氏体和贝氏体；蒸汽锅炉本次开炉生产就发生爆管。根据这些判断炉管爆裂原因为，本次开炉生产炉管发生短期严重超温过热，产生局部快速蠕变鼓包，最终导致炉管爆裂。

（2）蒸汽锅炉只有62#水冷壁炉管严重超温而相邻炉管无超温现象，推测4#锅炉在上次停工检修期间有异物堵塞落入62#炉管，从而导致水汽流动不畅、产生短期严重超温情况。在炉管爆裂后，大量蒸汽喷射排空时将异物吹出，因而未能在炉管内发现异物。因此，在蒸汽锅炉本次停工期间，依次打开锅炉下部联箱，对水冷壁炉管进行高压吹扫，发现了较多焊渣、螺栓、小挂架片等各类异物，消除了锅炉水冷壁炉管的超温隐患。