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余熱鍋爐過熱器爆管原因分析

作者:admin 時間:2020-04-14 15:37:23 閱讀:87

        余熱鍋爐一級過熱器管規格φ38×4mm,材料20g,兩列共62排,設計入口煙溫836℃,管內介質溫度406℃,壓力4.48MPa,介質與煙氣逆向換熱,布置在水平煙道。一次鍋爐內部檢驗時,發現過熱器管普遍脹粗(能測管徑為39~39.6mm),里面蠕變脹粗率為2.63%~4.2%,使用單位將進出口集箱和一級過熱器管全部更換,管子規格為φ38×4mm,材料為15CrMo,投入運行后,2003年3月,一級過熱器發生爆管。過熱器管從更換后至爆管,累計運行4500h。

一、損壞情況

        1.一級過熱器西起第5排、南數第1根管爆破,爆口中心線距下彎管底部510mm。宏觀檢查發現南數第1根、第2根管表面有黑褐色高溫氧化層,個別氧化層脫落,管徑有明顯脹粗,南數第1根管爆破后,因爆管噴出的蒸汽反作用力,使其向北位移70~100mm。南數第3根一第6根管(入口管),管子表面呈棕紅色,并附有灰白色灰垢,管徑無脹粗現象。
        2.破口寬90mm、長95mm,撕裂長度分別為107mm和38mm(脫落),破口的斷裂面粗糙且不平整,破口附近有很多縱向蠕脹裂紋,裂紋平行于破口,起爆點管子壁厚2.2mm,破口表面氧化層厚0.66mm,外表面氧化層厚0.4mm。
        3.使用XLTRO型內窺鏡對西起第5排入口管、南數第2根管和第1個彎管內壁進行檢查,內壁均有均勻的氧化層。
        4.使用XH-500型金相顯微鏡對6個部位進行檢驗,檢驗結果:爆口處為輕度球化,即球化3級,金相組織為珠光體加鐵素體加少量碳化物。爆口處的背火面金相組織為珠光體加鐵素體,存在傾向性球化,即球化2級。起爆點向下l00mm處的向火面金相組織為珠光體加鐵素體,傾向性球化,即球化2級。起爆點向下l00mm處背火面金相組織為珠光體加鐵素體,傾向性球化,即球化2級。爆口上部撕裂部位金相組織為珠光體加鐵素體,傾向勝球化,即球化2級。西起第5排、南數第6根管(入口端)金相組織為珠光體加鐵素體,未球化,即球化1級。
        5.使用X射線能譜儀對爆管內壁氧化層進行成分(重量百分數)測定(表1)。

表1                                %
       

        6.使用XL-30型掃描電鏡,對爆口和撕裂部位觀察斷口形態,爆口起始點呈現一定的塑性變形,局部出現環形空洞。撕裂斷口呈現明顯的脆性斷裂形態。

二、檢驗分析

        1.爆破的管子和與其相連的管子外表面呈黑褐色高溫氧化層,管徑脹粗率分別為6.3%、17.1%和21.3%,明顯超出2.5%的規定,說明爆管是由超溫引起的。其余各排管子外表面均呈棕紅色氧化層(三氧化二鐵),并附有灰白色浮灰,管徑測量為38.1~38.4mm,脹粗率0.26%~1%,表明這些管子沒有超溫現象。因此,可以說明,僅一級過熱器西起第5排、南數第1、2根管子超溫,具有特殊性。排除了一級過熱器管熱負荷過高、選材裕度不足等普遍超溫和管徑脹粗的原因。
        2.破口邊緣為鈍邊,斷口平齊粗糙,破口附近有平行于破口的縱向短裂紋,爆口邊緣有明顯的變形和脹粗現象,這些特征說明,該爆管屬于典型的脆性破壞,具有長期超溫特征。
        3.內窺鏡檢查,發現西起第5排、南數第1根管的下彎管底部的腐蝕坑和縱向劃痕應引起重視??赡茉诩浠蜻^熱器管系中有雜物,即所謂管內異物堵塞,沒有足夠流量的蒸汽冷卻管壁,引起超溫,爆破后,異物被高壓蒸汽沖出時留下的沖擊痕跡。
        4.取爆口橫截面磨制金相樣品,發現平行口邊緣有很多裂紋,這些裂紋自外向內壁沿晶界發展,說明管壁超溫(即超過15CrMo鋼允許溫度550℃),管子金屬在應力作用下發生蠕變,即管徑脹粗,出現蠕變和沿晶界裂紋,直至破裂。金相檢驗中,還發現管子內外壁有氧化層、脫碳層,金相組織中珠光體球化,爆口處珠光體球化3級,背火面球化2級,入口側,即西起第5排、南數第6根管,金相組織中珠光體未發現球化,組織正常。爆口處珠光體球化和碳化物在晶界上聚集,并伴隨有蠕變損傷,即蠕變裂紋形成,說明材料已經劣化,這是金屬材料長期超溫運行的必然結果。珠光體球化與溫度有直接關系,溫度愈高,球化速度愈快。
        5.爆管取樣,進行化學成分分析表明,一級過熱器管材料完全符合GB5310-95標準中15CrMo鋼的要求。一級過熱器管設計,按照GB9222-88《水管鍋爐受壓元件強度計算》規定,完全可以滿足一級過熱器正常運行要求,僅4500h就發生爆管,說明爆管損壞部位的實際壁溫遠大于550℃。
        6.對爆管內壁氧化層進行能譜分析和物相X射線衍射分析,黑褐色氧化層主要為鐵的氧化物,其相成分為Fe3O4(主)加FeO(次)。
        當鋼材在含有氧的介質中受熱時,其表面將發生氧腐蝕,高溫氧化是指鋼在高溫條件下,與腐蝕介質作用發生的腐蝕,與溫度、時間、氣體介質成份、壓力、流速、鋼材成分等有關。鋼在低于570℃以下的氧化,首先是鋼管表面碳的氧化即脫碳現象:Fe3C+O2→3Fe+CO2↑然后發生的是鐵的氧化:2Fe+O2→2FeO或3Fe+2O2→Fe3 O4,由于管壁上生成Fe3O4氧化過程減慢,但Fe3O4的導熱性能低,而引起管壁溫度逐漸升高,當壁溫超過570℃以上時,當壁溫超過570℃以上時,產生過熱蒸汽腐蝕即高溫氧化腐蝕,其他過程:
        3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2↑
        3FeO+H2O→Fe3O4+H2↑
        Fe3O4+Fe→4FeO
        在570℃以上出現上述三個反應,說明內壁超溫幅度愈高,氧化層愈厚,爆管處向火面嚴重超溫,內外壁產生高溫氧化腐蝕,管壁明顯減薄,并且有蠕變和蠕變裂紋出現,在內壓應力作用下造成爆管。

三、結論

        1.根據催化B爐一級過熱器管爆口特征、微觀蠕變裂紋、金相組織中珠光體球化、內外壁脫碳和高溫氧化產物的形成,說明該管爆破屬于長期超溫引起的。
        2.一級過熱器西起第5排第1根管爆破,是由于管內異物堵塞引起管子超溫的結果。
        3.建議以后換管過程中,對管系和集箱內部進行全面仔細檢查,并且將集箱內清掃干凈,管系進行全面通球和蒸汽吹掃,排除集箱和管系內的異物,防止發生爆管。  
 

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