油轮辅锅炉过热器爆管的原因

2013-08-16戴乐阳李经宏

机械工程材料 2013年1期

戴乐阳，李经宏

（1.集美大学轮机工程学院，厦门361021；2.艾欧史密斯

（中国）热水器有限公司，南京210038）

0 引言

某油轮辅锅炉在一次运行中发现锅炉给水流量异常增大，过热蒸汽压力明显下降，排烟发白。停炉检查后发现一根对流过热器管爆裂，该爆管位于对流过热器的出口段，左数第1片下降屏前数第25号管（最外侧管）向火面，靠近耐火材料。该对流过热器管材料为12Cr1MoV钢，尺寸为φ47mm×5mm，工作压力为13.2MPa，使用温度为535～540℃。该锅炉自投入使用已累计运行约5×104h。为查找该过热器爆管的原因，作者对其进行了失效分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

图1 爆管的宏观形貌Fig.1 Macrograph of busted tube

由图1可见，爆口沿过热器管纵向开裂，裂口呈嘴形，纵向最大开口长度为270mm；爆管胀粗不太显著，爆口中心处管径由47mm胀粗至57mm；爆口边缘粗糙，管壁几乎没有减薄，呈脆性断口形貌。在爆口处对爆管内外壁进行观察，可见除了主爆裂口外，爆口外壁还有其他纵向裂纹和明显的氧化；另外爆管内壁还存在一层结垢，近爆口处的结垢层上有呈平行分布的纵向裂纹和被冲刷剥落的痕迹，如图2所示。

1.2 化学成分

采用DV6E型光电直读光谱仪，按GB／T 4336－2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）》对爆裂过热器管进行化学成分分析，其结果如表1所示。另外，表中还列出了GB／T 5310－2008《高压锅炉用无缝钢管》中规定的12Cr1MoV钢的化学成分范围。可见，该过热器管的化学成分正常。

表1 爆裂过热器管的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of busted superheater tube（mass）%

1.3 力学性能

在失效过热器管爆口的向火侧、背火侧及远离爆口向火侧三个部位沿纵向截取试样进行拉伸试验，结果如表2所示。可见，该过热器管爆口向火侧、背火侧以及远离爆口向火侧的抗拉强度均远远低于GB／T 5310－2008《高压锅炉用无缝钢管》规定的12Cr1MoV钢强度的下限（470MPa），这表明该过热器管经长期使用后抗拉强度明显下降，但伸长率基本符合要求。

表2 爆裂过热器管的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of busted superheater tube %

1.4 显微组织

由图3（a）可见，距爆口中心500mm处的钢管基体组织为珠光体铁素体和碳化物，碳化物颗粒在铁素体晶界上分布，珠光体已经产生明显球化；而130mm处的钢管基体珠光体组织除了严重球化外，还可见蠕变孔洞沿晶分布，形成了沿晶蠕变微裂纹，如图3（b）所示；这种组织老化的情况越靠近爆口中心越为严重，如距爆口中心30mm处，珠光体片层形态已基本消失，沿晶蠕变微裂纹互相连接，裂纹中充满了腐蚀产物，如图3（c）所示。按照DL／T 773－2001《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》，该过热器管的珠光体球化率可评定为4～5级。

1.5 外壁裂纹

对爆管外壁裂纹进行仔细观察，发现除了主爆口外，管外壁还有许多肉眼可见或隐约可见的微小裂纹，裂纹呈现向内壁发展与深入的趋势。为此，在垂直于爆口处取横截面，对外壁这些微小裂纹进行观察，如图4所示。可见，过热管外壁的这些纵向裂纹深入管壁内部，多数裂纹的深度已达1.75mm，部分裂纹深度甚至超过2.5mm，即超过了壁厚的一半。这种裂纹不是普通受力导致的迅速穿透的形式，而是钢材持久强度降低形成的蠕变开裂形式。

1.6 内壁结垢与裂纹

在距爆口中心30mm处，沿爆管横截面对管内壁层取样进行组织观察，可见管内壁结垢层非常明显，其厚度为0.12～0.25mm；结垢层下的钢管内壁组织存在脱碳现象，如图5所示。仔细观察还可发现，过热器管内壁的结垢层上存在较多的爆裂裂纹，这些裂纹的尖端扩展至钢管内壁，在内壁相应位置上也产生了微裂纹，如图6所示。从图6还可以发现部分结垢层开裂后已经脱落。

2 分析与讨论

锅炉过热器爆管属于高温失效范畴，国内外材料研究人员普遍认为蠕变损坏是高温失效的主要原因之一。通常，在蒸汽系统中，由于锅炉过热器管属于薄壁管，其发生爆裂的首要原因是珠光体球化，当球化发展到一定程度才开始出现蠕变孔洞，然后由孔洞互相连接成微裂纹直至破裂；而主蒸汽管属于厚壁高温承压部件，其发生破裂主要是由蠕变损伤积累所致［1］。12Cr1MoV钢是锅炉广泛采用的钢种，主要用于蒸汽参数不超过540℃的场合；其中的钒是强碳化物元素，碳化钒细小而稳定，对钢的弥散硬化效果好；但12Cr1MoV钢在高温下长期运行的过程中，会发生渗碳体球化及固溶体中合金元素贫化的现象，从而使其热强性降低［2］。

综上分析可知，该失效过热器管的化学成分符合要求，但其显微组织和抗拉强度有所改变。正常情况下，12Cr1MoV钢的原始态组织为珠光体，但该过热器管的组织却产生了明显的珠光体球化，并存在较多的沿晶蠕变裂纹（如图3所示），这表明锅炉有长期超压或过热运行的可能。经查询轮机员获悉，该锅炉有时确实存在超压运行的情况，主要是因为有些港口驳油任务比较紧张，经常催促船员快速作业。另外，爆管外壁有明显的氧化，内壁有较严重的结垢，这些均会加剧管壁温度超高，使得失效管长期超温，最终发生组织老化甚至局部脱碳，使其持久强度下降。另外，由于油轮锅炉水的含油几率较大，因此其过热器管内壁垢层容易在局部堆聚，并且剥落的垢层也容易互相粘结积聚，导致钢管局部流通面积变小甚至堵塞，这可能是该失效管爆口位局部过热更为直接的原因。

另一方面，由于爆管内壁脆性垢层的热膨胀系数不同于管壁基体金属的，因而在交变热应力作用下易于开裂，继而被蒸汽冲刷剥离。当垢层裂开后，管内热水通过垢层裂缝突然接触到高温管壁骤然汽化，产生了局部膨胀压力。这种交变的膨胀压力导致管壁基体材料发生破坏，在基体强度已然下降的爆口位外壁诱发纵向裂纹，并逐渐向内壁扩展。而结垢层剥离处的钢管内壁容易受到蒸汽腐蚀诱发应力集中，继而在垢层爆裂处的内管壁也逐渐萌生出许多纵向微裂纹。在钢管外壁和内壁纵向裂纹的长期共同作用下，管壁有效厚度减小，当减小到一定程度后，该过热器管就会发生长时超温爆管事故。