摘要 应用金相、X-ray衍射、扫描电子显微分析及宏观分析等方法分析了200t/h锅炉过热器爆管的原因,对氧化的产生及其影响和裂纹在弯头形成的原因进行讨论。
关键词 锅炉 过热器 爆管 氧化
1、概况
某厂#3炉对流过热器西44排外侧弯头在运行5.6万小时后爆裂,此前对流管已有过两次爆管事故。该炉为SG220/9.8-M295型煤粉炉,过热蒸汽设计压力为9.8MPa,温度为535℃,对流过热器材质为12CrlMOV,规格为(42×4.0,入口烟温890℃。
2、试验内容及结果
2.1、宏观检验
爆口位于弯头外弧侧,张口 较小,长41mm,最大宽度3mm,从断口看,裂纹首先在弯头外表面产生,然后向两侧及内部扩展成台阶状,最后撕裂形成剪切唇。断口表面已严重氧化,从氧化程度看,裂纹扩展经历了很长时间。
爆口及其相关管段几何尺寸测量数据见表1。
见表
由测试数据可知,管子胀粗不明显,椭圆度也在规定范围之内外氧化皮较厚,管壁减薄严重。导致弯管段壁厚严重减薄的原因为:
(1)弯管时变形不均匀导致壁厚减薄。
(2)氧化腐蚀较严重使壁厚减薄。
2.2、化学成份分析
取爆管材料进行化学分析,分析结果列于表2。
见表
结果表明,对流管化学成份符合国标要求。
2.3、 显微组织分析
爆口中心组织为铁素体+碳化物,珠光体区域消失,珠光体球化4~5级。内外表面均布满向内延伸的氧化裂纹,尤其外壁,有许多氧化及蠕变裂纹,在高温环境中,氧与基本发生化学反应,氧通过晶界向内扩散,尤其晶界裂纹的产生,为氧的扩散提供了通道,成为过热器开裂的裂纹源。
距爆口175mm处向火侧及爆口背火侧珠光体也完全球化,蠕变孔洞不很明显。
2.4、扫描电镜分析
爆口内外氧化均较严重,经X射红衍射分析表明,外层氧化皮主要为Fe3O4,靠近管壁的内层主要为Fe3O4+FeO。外壁主要为FeO+Fe3O4+Fe2O3+Ca-SO4等。FeO只有在高于570℃才能形成,从高温冷却时,FeO可能夹在Fe3O4之间保留到室温,这表明爆管前管壁温度曾高于570。
3、 分析讨论
3.1、 爆口宏观、微观形态均为长期过热特征,组织老化,并伴有蠕变损伤,断口扫描结果与宏观及微观分析结果相符。
3.2、氧化问题
12CrlMoV钢在580℃以下抗氧化性能良好,535℃时的平均氧化速率0.05mm/a,而爆管在使用仅7年后内壁氧化已达0.5mm,说明管壁温度已超过535℃,长期处于过热状态。氧化物相结构分析也证实了这一点。
内壁氧化皮一旦形成,使管壁与蒸汽的热传导减慢,促使壁温进一步升高,又加速了氧化过程,这种循环的氧化过程,使管壁一直处于过热状态,促进了珠光体的球化和蠕变孔洞、裂纹的形成。这种沿晶氧化裂纹从外壁产生,逐渐向内壁扩展,直至穿透管壁,造成爆管。
3.3、弯头材质老化及蠕变裂纹较直管严重的原因为:钢管弯制时,弯头背弧侧管壁减薄,加上氧化造成的管减薄,使弯头应力增大。在弯管和直管的交界处,蒸汽产生涡流,造成局部温升高,局部应力和温度的升高,加速弯头材质老化和损伤,故首先在弯头处爆裂。
3.4、此前的两次爆管均处于该管附近区域,说明过热爆管是由燃烧引起的火场偏移,使一定范围管壁超温。
4、结论
(1)此次过热器爆管系长期过热所致。
(2)爆管的性质为宏观脆性断裂,断裂原因是长期过热形成蠕变裂纹,管壁表面的氧化与蠕变交互作用加速了裂纹的形成和扩展。当裂纹达到一定尺寸后即快速扩展,导致爆管。
(3)应力和温度不同,使爆破首先在弯头外弧发生。
5、采取的措施
爆管后对运行记录进行了检查,发现对流炉外管壁温最高达583℃,考虑炉内外温庆功,故过热器管壁温度大大高于设计温度,造成长期过热爆管。
后经多次燃烧调整试验,超温现象基本得到控制,对氧化严重管材进行了更换,机组运行趋于正常。