高温过热器蛇形管开裂分析与探讨

赵保强

（嘉峪关市产品质量计量和特种设备检验检测中心，甘肃 嘉峪关735100）

12Cr1MoVG因其有较好的耐高温、良好的工艺性能，使用温度可达580℃左右，因此被广泛应用于锅炉中的钢结构件，如过热器、再热器、高压管道等[1]。某厂动力车间锅炉高温过热器在工作中多次发生设备故障，经企业技术人员研究分析后，认为锅炉高温过热器长期疲劳工作是事故的直接原因，并对过热器的所有炉管进行了彻底的更换，但是在使用不到半年的时间，高温过热器蛇形管弯管部位又出现不同程度的开裂，影响了企业的正常生产，现将相关参数列表如下（技术条件见表1）。

表1 高温过热器工作条件

为此，受使用单位委托，通过对开裂管段的取样分析，提出了几点建议及对策。

1 宏观检查

裂纹大致分布在弯管外侧，沿轴向方位逐渐开裂，管段外表面存在厚约0.5 mm的氧化皮和部分蚀坑；管段内表面被黑色腐蚀物所覆盖，裂口大小约50 mm×7 mm（长×宽)，且在内壁附近发现有大量轴向裂纹，形状成直线依次平行排列；开裂部位有明显鼓胀的现象，凸出表面约5 mm，在裂口处管壁减薄，表面失去光泽（见图1）。

图1 裂口形貌

经检验，弯管背部也有减薄的现象，减薄状况如下图所示（见图2）。

图2 弯管背部减薄状况（断面）

2 理化分析

2.1 壁厚测定

通过卡尺及超声波壁厚测定，与蛇形管的标称尺寸Φ38×4.5 mm相比较，发现该管在弯管部位管壁减薄十分明显，经测量，断面处最小壁厚为3.0 mm.弯管背部最小壁厚为3.21 mm（见表2）。

表2 管壁厚度超声波测定表

实测壁厚数据表明：开裂后的高温蛇形管在其弯管部位出现了明显的壁厚减薄现象。

2.2 硬度检测

对直管段和弯管部位的硬度分别进行了测定和分析对比，其硬度值基本在HB115～168之间，符合高温设备运行工况要求和相关行业技术标准。

2.3 材料成分光谱分析

对蛇形管外表面进行了光谱分析，其结果见表3.

表3 光谱分析数据

分析结果表明：开裂管段材料成分符合标称材质（12Cr1MoVG）元素含量标准值（GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》）。

2.4 金相分析

对2#样品取样、磨制、抛光，进行金相分析（见图 3、图 4）。

图3 金相分析部位

图42 #样品金相分析照片

分析结果表明：金相显微镜从2#样品径向截面观察到以下情况，在晶内及晶界处弥散有大量碳化物，并在这些地方聚集扩大，且在珠光体球化和石墨化的共同作用下出现了许多黑色孔洞；主裂纹由管外向内逐渐扩展延伸，呈梯状分布；碳化物聚集凸出现象更加明显。

3 结论与分析

3.1 结论

通过以上各方面的分析，高温过热器蛇形管主要是在局部长期超温的条件下未能采取有效的温度控制措施，使工作于高温环境下的金属材料发生了珠光体球化和石墨化，使得材料在短时间内无法承受这些负荷的急剧变化，因此发生了开裂的现象。

3.2 原因分析

按照设计和技术要求，管路的规格应为Φ38×4.5 mm，直管段符合要求，而弯管段在弯曲成型后弯管部位壁厚减薄，未能达到要求；在安装过程中难以避免的会导致弯管部位由于结构不连续产生的局部结构应力，对弯管部位的开裂起到了一定的促进作用；管道安装工艺不良，管道对口处错口，在长时间工作后焊口减薄从而引起爆裂，影响到整个设备的正常运行。同时，由于管内外存在温度梯差；弯管位于向火面，且长期在高温的环境中工作，管外氧化皮和管内污垢不利于热量的扩散，使局部温度迅速升高，引起弯管部位金属失效。最终在高温高压水蒸气和钢管自身残余应力的共同作用下，蛇形管逐渐发生了腐蚀开裂。

4 建议对策

4.1 满足设计要求，精确控制温度

因钢管在弯管成型后弯管部位减薄，为达到设计要求，建议钢管规格采用Φ38×4.5 mm，以保证强度要求。蒸汽温度采用主控-串级控制的切换装置，使系统可以满足于不同的工作环境，而且蒸汽的温度可以在允许的范围内变化，从而避免因材料局部长时间超温运行而导致管壁金属蠕变失效发生开裂[2]。

4.2 加强管理，强化综合治理与应用

为了进一步防止管壁温度升高造成超温爆管，要加强企业管理的科学化水平，特别要强化生产和工艺的监督管理，健全设备管理体系，定期分析化验水质，了解水质变化情况，及时采取相关措施，确保设备安全高效运行。鉴于多次发生爆管的情况，检验分析结束后，业主积极采纳了提出的建议，并对作业人员进行了培训，建立健全了生产管理体系，使问题得以全面解决。

参考文献：

[1]许小平，周飞霓.12Cr1MoVG过热器管开裂行为分析与控制[J].材料保护，2008，41（11）：46-48.

[2]郭赞扬，徐 峰.高压锅炉12Cr1MoVG热处理工艺的改进[J].江西冶金，2005，25（2）：25-25.