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      15CrMo鋼過熱器管爆管失效分析

      嘉峪檢測網 2019-12-18 10:12

      導讀:過熱器管常見失效形式 過熱器管作為鍋爐的重要部件,一旦失效會導致鍋爐非計劃停運從而造成重大損失。其常見的失效方式有蠕變、疲勞、腐蝕、侵蝕、氫脆、焊接處性能劣化、高溫

      過熱器管常見失效形式

      過熱器管作為鍋爐的重要部件,一旦失效會導致鍋爐非計劃停運從而造成重大損失。其常見的失效方式有蠕變、疲勞、腐蝕、侵蝕、氫脆、焊接處性能劣化、高溫短期過熱、氧化、堿蝕、磨損以及應力腐蝕等。

       

      事故背景

      某化工廠電站鍋爐為Q190/900-65-3.82/450型煙道式余熱鍋爐,該鍋爐額定蒸發量為65t·h-1,高溫過熱蒸汽出口壓力為3.82MPa,出口蒸汽溫度為450℃,給水溫度為105℃。投產運行20356h后,其出口側高溫過熱器管(規格為60mm×5mm,材料為15CrMo珠光體耐熱鋼)發生爆管造成整套裝置非計劃停機。

       

      理化檢驗

      宏觀檢查

      15CrMo鋼過熱器管爆管失效分析

      圖1 失效過熱器管宏觀形貌

       

      宏觀檢查發現,該過熱器管爆口最大寬度為5mm,長度為35mm,如圖1所示。其中爆口邊緣鈍且粗糙,爆口周圍有許多與裂口方向平行的縱向裂紋,爆口呈脆性開裂。爆口處管壁減薄不多,管的外徑存在明顯脹粗現象,管的內外壁氧化皮均呈深黑色。

       

      化學成分分析

      對過熱器管取樣采用FOUNDR-MASTER PRO型全譜火花直讀光譜儀進行化學成分分析,結果如表1所示。

       

      表1 過熱器管的化學成分(質量分數)%

      15CrMo鋼過熱器管爆管失效分析

       

      可見該過熱器管材料各元素含量均符合GB 5310-2008«高壓鍋爐用無縫鋼管»的要求。

       

      金相檢驗

      在過熱器管爆口各部位截取金相試樣,經過打磨拋光后,采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕,然后使用Axio Observer A1m型光學顯微鏡進行觀察。由圖2a)可見,爆口向火側近外表面顯微組織為鐵素體+珠光體,珠光體球化5級(根據DL/T 787—2001«火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準»判定),已完全脫碳,三叉晶界處存在較大量的蠕變孔洞及蠕變裂紋;由圖2b)可見,爆口背火側近外表面顯微組織也為鐵素體+珠光體,珠光體球化4~5級,三叉晶界處觀察到極少量的蠕變孔洞。

      15CrMo鋼過熱器管爆管失效分析

      圖2 過熱器管爆口各部位的顯微組織

       

      管壁形貌分析

      使用光學顯微鏡分別觀察過熱器管爆口向火側和背火側的橫截面的形貌。

       

      15CrMo鋼過熱器管爆管失效分析

      圖3 過熱器管爆口處向火側內外管壁形貌

       

      由圖3可見,爆口向火側內外壁均有裂紋并擴展至管壁深處,裂紋尖端及周圍存在蠕變孔洞,裂紋內部存在氧化物,管壁內部分蠕變孔洞沿晶界呈鏈狀排列,形成晶界顯微裂紋。

       

      15CrMo鋼過熱器管爆管失效分析

      圖4 過熱器管爆口處背火側內外管壁形貌

       

      由圖4可見,爆口背火側外壁有裂紋從表面擴展到內部,裂紋尖端存在蠕變孔洞,基體內晶界處也觀察到蠕變孔洞;爆口背火側內壁存在蠕變孔洞。爆口向火側和背火側內外壁氧化層的厚度均約為400μm(氧化層總厚度約800μm),超過了TSG G7002-2015«鍋爐定期檢驗規則»中關于氧化層厚度不大于600μm的要求。

       

      硬度測試

      使用401MVA型維氏顯微硬度計對過熱器爆口向火側橫截面、背火側橫截面、遠離爆口的直段橫截面進行硬度測試,載荷為1.96N。測得硬度平均值分別為133.5,137.5,157.7HV,硬度值是工程中力學性能的一個重要指標,可知爆口處背火側及向火側材料的力學性能均有所下降。

       

      脹粗量計算

      除去失效過熱器管外表面的灰塵和鐵銹后,將該管爆口中心橫截面記為A截面,自A截面起每隔15mm依次記為B,C,D,E截面。用精度為0.02mm的游標卡尺測量各截面上兩個相互垂直方向的管道外徑值,取兩者算術平均值再得出截面的脹粗量,計算結果如表2所示。

       

      表2 過熱器管爆口處外徑和脹粗量數值

      15CrMo鋼過熱器管爆管失效分析

       

       

      可見爆口中心截面的脹粗量最大,距離爆口中心最遠截面的脹粗量最小。所測截面的脹粗量均超出DL/T 438-2009«火力發電廠金屬技術監督規程»的規定(低合金鋼管外徑脹粗量不大于2.5%),該爆口處已發生明顯高溫蠕變變形。

       

      分析與討論

      過熱器管爆口呈脆性開裂,具有長期超溫過熱爆管的宏觀特征。爆口向火側和背火側近外表面顯微組織均為鐵素體+珠光體,三叉晶界處存在蠕變孔洞及蠕變裂紋,爆口組織的珠光體球化達到5級已完全脫碳,可見爆口處向火側及背火側近外表面顯微組織已嚴重老化。爆口向火側和背火側內外壁氧化層總厚度達到800μm,超過了TSG G7002-2015中關于氧化層厚度不大于600μm的要求。氧化層的存在減少了過熱器管的有效壁厚(厚度由5.0mm減少到4.2mm),由于氧化層的傳熱效果比金屬的差,氧化層的超標將引起過熱器管壁溫度升高而導致管壁強度降低。蠕變孔洞及裂紋的存在,破壞了管壁內部組織的連續性,也使管壁強度降低。爆口背火側及向火側硬度比遠離爆口的直段硬度低,可知爆口處背火側及向火側材料的力學性能均有所下降。爆口處脹粗量超出DL/T 438-2009的規定,表明過熱器管已發生明顯高溫蠕變變形。根據擴散控制理論,金屬材料的溫度T與運行時間t之間的關系式為

      lnt=lnA+B/T  (1)

      式中:A,B為金屬材料常數。

       

      對于15CrMo鋼,其球化級別E、金屬壁溫T及運行時間t之間的關系式為

      E=28.2944-2.241LMP  (2)

      LMP=12370/T-lgt  (3)

      式中:LMP為溫度時間相關參數。

       

      通過核查過熱器管的工作記錄,發現該鍋爐為了配合化工生產需要經常超負荷運行(最大蒸發量達到81t·h-1),超負荷運行會引起煙氣流量增加,煙氣溫度升高,還會引起過熱蒸汽超溫。當過熱器管的運行時間t=20356h時,球化級別E=5,由式(2)和式(3)計算得到過熱器管運行時的平均壁溫T=842K(569℃)。

       

      15CrMo珠光體耐熱鋼在電力行業應用廣泛,其用于過熱器管時,由于管道外部有高溫煙氣沖刷,管道內部是高溫高壓蒸汽,長期在高溫高壓下超負荷運行,鋼材會出現珠光體球化、合金元素重新分配等問題,其持久強度、蠕變強度等力學性能均會下降而導致爆管。因此15CrMo鋼使用時壁溫應不大于560℃,由上述分析可知該過熱器管處于長期過熱狀態,導致材料組織劣化,高溫性能及常溫性能下降,最終發生開裂。綜合判斷該過熱器管的失效模式為長期過熱引起的蠕變開裂。

       

       

      結論

       

      由于鍋爐長期超負荷運行,導致過熱器管長期過熱加速氧化層的形成。氧化層傳熱能力差引起過熱器管壁超溫,從而造成管材組織劣化并形成蠕變孔洞及顯微裂紋,導致過熱器管強度降低最終造成爆管。過熱器管的失效模式為長期過熱引起的高溫蠕變開裂。

       

       

       

      來源:楊文彬理化檢驗

      關鍵詞: 15CrMo 過熱 器管 爆管 失效 分析 過熱 器管

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