锅炉过热器管爆管失效分析

梁亚飞

华电电力科学研究院有限公司 浙江杭州 310030

火力发电是我国主要的电力来源，2018年火电占比为73．32%。电站锅炉是火力发电的三大设备之一[1]。锅炉管的失效经常影响锅炉管的安全运行，因此分析锅炉管失效的原因并提出相应的预防措施是十分重要的。

1 失效原因分析

1.1 宏观检查经检查

背景介绍：某电厂过热器出现爆管现象，经查阅原图纸资料，该处过热器设计材质为12Cr1MoV。

过热器管外观及断口情况：研究发现，爆破管具有明显的塑性变形，裂缝为纵向裂缝，裂缝在断口处呈刀口状，爆破口为尖喇叭形，具有韧性断裂的特征。的缺口很大，爆管的内壁是干净的，没有明显的腐蚀，断裂的断口表面光滑，表面有一层氧化层的破裂，已被剥掉的一部分。喷嘴管边缘的厚度是2．8毫米，和氧化层现有喷嘴边缘是0．2毫米。

图1 失效过热器管

图2 爆口情况

1.2 硬度检查

从管段开始研磨抛光，用MC10-HBS-3000形硬度测量器进行了布氏硬度试验，结果显示负荷为7．35kN，保持时间为15s，硬度平均为125．9HBW，与普通的12cr1mov钢相比硬度显著降低[2]。

1.3 拉伸试验

在爆炸口附近的直管段试做取管的纵的拉伸，取4个地方的号码进行拉伸实验。耐拉强度和屈服强度几乎不一致。耐拉强度明显降低，断后拉伸率与12cr1mov钢的标准基本一致。结果见表1。

表1 拉伸试验结果

1.4 化学成分分析

从过热器管道提取块状样品，用角磨削机磨成平面，由德国布鲁克全谱火花直读分光器Q4TASMAN对样品进行化学成分分析的结果，表面2中显示出了材料化学成分的质量分数（%）。根据标准GB5310-2017，在表3中示出了12cr1mov的化学成分。与此形成对比的是，石墨的成分与标准成分相差很大，特别是石墨中不含金属钒（V）。结合了硬度和拉伸试验的结果，判断有安装时的材质使用错误的可能性。

1.5 金相分析

故障加热器的裂痕和从内部提取的两个样品（1#和2#）分别进行装配加工，并由xq-2b装配机装配，然后经过粗磨、细磨、研磨、冲刷观察样品，并用DMI3000M型金相显微镜观察。据试料金相介绍，管道微细组织主要是铁素体和碳化物，珠光体的形态几乎消失。

1.6 扫描电镜分析

从过热器管的爆炸口提取样品，利用扫描镜对爆炸口表面进行微细的形状分析。发现煤化物剥落的孔，裂纹只扩大了1个，裂纹向晶界蔓延着。通过拉伸试验得出的切口是在扫描电镜下的形态，典型的韧韧形态的断裂是延性断裂[3]。氧化皮的主要成分是Fe3O4，从成分表中可以看出它含有大量的碳元素。从以上信息中可以看出，使用过热管道的钢材应该是错误的，而使用不当的钢材被认为是15CrMoG。

1.7 原因分析

故障的主要原因是材料使用不当，由于使用了15crmog来代替12cr1mov钢，材料的强度和抗氧化能力达不到要求，在管外容易发生氧化。当在管的外部存在氧化皮时，过热器管吸收热而不均匀，形成热集中。

2 分析与讨论

宏观检查结果表明，爆口口径和胀粗量相对较小，爆口外表面氧化严重，部分氧化层出现剥落，爆口附近外壁存在大量沿钢管纵向方向的平行裂纹。力学性能检验结果表明，过热器管向火侧屈服强度和硬度值都接近或低于标准要求下限值，而爆口附近的硬度值则明显低于标准要求。扫描电镜形貌结果表明，爆口处存在大量的宏观及微观蠕变裂纹，晶界处析出大量的碳化物；存在较多的空隙，这种空隙将加速气相由外往内的传输。

表2 所测材质化学成分（质量分数）%

表3 12Cr1MoVG化学成分（质量分数）%

图3 拉伸断口

3 结语

过热器管内壁在高温和蒸汽环境下发生氧化，阻碍了蒸汽介质与管壁的热量交换，使得管壁温度升高，而温度升高时又进一步加速内壁氧化皮的生长。具有分层结构的氧化皮层间结合力较差，同时氧化皮与基体金属热膨胀系数差异较大，并且随着温度的升高，铁的氧化物热膨胀系数逐渐增大，在启停、运行中炉温骤变及反复波动情况下，在蒸汽的吹刷下氧化皮容易发生剥落并在下弯管部位堆积，导致管子流通截面减少、介质流量降低而造成钢管局部出现超温过热。