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余热锅炉过热器爆管原因分析
发布者:太湖余热锅炉  发布时间:2017/7/6 13:46:32  点击:925

        余热锅炉一级过热器管规格φ38×4mm,材料20g,两列共62排,设计入口烟温836℃,管内介质温度406℃,压力4.48MPa,介质与烟气逆向换热,布置在水平烟道。一次锅炉内部检验时,发现过热器管普遍胀粗(能测管径为39~39.6mm),里面蠕变胀粗率为2.63%~4.2%,使用单位将进出口集箱和一级过热器管全部更换,管子规格为φ38×4mm,材料为15CrMo,投入运行后,2003年3月,一级过热器发生爆管。过热器管从更换后至爆管,累计运行4500h。

一、损坏情况

        1.一级过热器西起第5排、南数第1根管爆破,爆口中心线距下弯管底部510mm。宏观检查发现南数第1根、第2根管表面有黑褐色高温氧化层,个别氧化层脱落,管径有明显胀粗,南数第1根管爆破后,因爆管喷出的蒸汽反作用力,使其向北位移70~100mm。南数第3根一第6根管(入口管),管子表面呈棕红色,并附有灰白色灰垢,管径无胀粗现象。
        2.破口宽90mm、长95mm,撕裂长度分别为107mm和38mm(脱落),破口的断裂面粗糙且不平整,破口附近有很多纵向蠕胀裂纹,裂纹平行于破口,起爆点管子壁厚2.2mm,破口表面氧化层厚0.66mm,外表面氧化层厚0.4mm。
        3.使用XLTRO型内窥镜对西起第5排入口管、南数第2根管和第1个弯管内壁进行检查,内壁均有均匀的氧化层。
        4.使用XH-500型金相显微镜对6个部位进行检验,检验结果:爆口处为轻度球化,即球化3级,金相组织为珠光体加铁素体加少量碳化物。爆口处的背火面金相组织为珠光体加铁素体,存在倾向性球化,即球化2级。起爆点向下l00mm处的向火面金相组织为珠光体加铁素体,倾向性球化,即球化2级。起爆点向下l00mm处背火面金相组织为珠光体加铁素体,倾向性球化,即球化2级。爆口上部撕裂部位金相组织为珠光体加铁素体,倾向胜球化,即球化2级。西起第5排、南数第6根管(入口端)金相组织为珠光体加铁素体,未球化,即球化1级。
        5.使用X射线能谱仪对爆管内壁氧化层进行成分(重量百分数)测定(表1)。

表1                                %
       

        6.使用XL-30型扫描电镜,对爆口和撕裂部位观察断口形态,爆口起始点呈现一定的塑性变形,局部出现环形空洞。撕裂断口呈现明显的脆性断裂形态。

二、检验分析

        1.爆破的管子和与其相连的管子外表面呈黑褐色高温氧化层,管径胀粗率分别为6.3%、17.1%和21.3%,明显超出2.5%的规定,说明爆管是由超温引起的。其余各排管子外表面均呈棕红色氧化层(三氧化二铁),并附有灰白色浮灰,管径测量为38.1~38.4mm,胀粗率0.26%~1%,表明这些管子没有超温现象。因此,可以说明,仅一级过热器西起第5排、南数第1、2根管子超温,具有特殊性。排除了一级过热器管热负荷过高、选材裕度不足等普遍超温和管径胀粗的原因。
        2.破口边缘为钝边,断口平齐粗糙,破口附近有平行于破口的纵向短裂纹,爆口边缘有明显的变形和胀粗现象,这些特征说明,该爆管属于典型的脆性破坏,具有长期超温特征。
        3.内窥镜检查,发现西起第5排、南数第1根管的下弯管底部的腐蚀坑和纵向划痕应引起重视。可能在集箱或过热器管系中有杂物,即所谓管内异物堵塞,没有足够流量的蒸汽冷却管壁,引起超温,爆破后,异物被高压蒸汽冲出时留下的冲击痕迹。
        4.取爆口横截面磨制金相样品,发现平行口边缘有很多裂纹,这些裂纹自外向内壁沿晶界发展,说明管壁超温(即超过15CrMo钢允许温度550℃),管子金属在应力作用下发生蠕变,即管径胀粗,出现蠕变和沿晶界裂纹,直至破裂。金相检验中,还发现管子内外壁有氧化层、脱碳层,金相组织中珠光体球化,爆口处珠光体球化3级,背火面球化2级,入口侧,即西起第5排、南数第6根管,金相组织中珠光体未发现球化,组织正常。爆口处珠光体球化和碳化物在晶界上聚集,并伴随有蠕变损伤,即蠕变裂纹形成,说明材料已经劣化,这是金属材料长期超温运行的必然结果。珠光体球化与温度有直接关系,温度愈高,球化速度愈快。
        5.爆管取样,进行化学成分分析表明,一级过热器管材料完全符合GB5310-95标准中15CrMo钢的要求。一级过热器管设计,按照GB9222-88《水管锅炉受压元件强度计算》规定,完全可以满足一级过热器正常运行要求,仅4500h就发生爆管,说明爆管损坏部位的实际壁温远大于550℃。
        6.对爆管内壁氧化层进行能谱分析和物相X射线衍射分析,黑褐色氧化层主要为铁的氧化物,其相成分为Fe3O4(主)加FeO(次)。
        当钢材在含有氧的介质中受热时,其表面将发生氧腐蚀,高温氧化是指钢在高温条件下,与腐蚀介质作用发生的腐蚀,与温度、时间、气体介质成份、压力、流速、钢材成分等有关。钢在低于570℃以下的氧化,首先是钢管表面碳的氧化即脱碳现象:Fe3C+O2→3Fe+CO2↑然后发生的是铁的氧化:2Fe+O2→2FeO或3Fe+2O2→Fe3 O4,由于管壁上生成Fe3O4氧化过程减慢,但Fe3O4的导热性能低,而引起管壁温度逐渐升高,当壁温超过570℃以上时,当壁温超过570℃以上时,产生过热蒸汽腐蚀即高温氧化腐蚀,其他过程:
        3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2↑
        3FeO+H2O→Fe3O4+H2↑
        Fe3O4+Fe→4FeO
        在570℃以上出现上述三个反应,说明内壁超温幅度愈高,氧化层愈厚,爆管处向火面严重超温,内外壁产生高温氧化腐蚀,管壁明显减薄,并且有蠕变和蠕变裂纹出现,在内压应力作用下造成爆管。

三、结论

        1.根据催化B炉一级过热器管爆口特征、微观蠕变裂纹、金相组织中珠光体球化、内外壁脱碳和高温氧化产物的形成,说明该管爆破属于长期超温引起的。
        2.一级过热器西起第5排第1根管爆破,是由于管内异物堵塞引起管子超温的结果。
        3.建议以后换管过程中,对管系和集箱内部进行全面仔细检查,并且将集箱内清扫干净,管系进行全面通球和蒸汽吹扫,排除集箱和管系内的异物,防止发生爆管。  
 

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