加熱爐水冷壁爐管爆裂失效分析*

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(東北石油大學(xué),黑龍江 大慶 163318)

在石油化工和火力發(fā)電企業(yè)，蒸汽加熱爐常采用水冷壁爐管結(jié)構(gòu)。在加熱爐運行過程中，爐管易產(chǎn)生內(nèi)壁結(jié)垢、內(nèi)外壁腐蝕、長期高溫蠕變、金相組織損傷及短期超溫超壓等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致爐管發(fā)生開裂或者爆裂事故[1-3]。

某化工廠蒸汽加熱爐投產(chǎn)使用了20多年，爐管累計運行不到10×104h，蒸汽介質(zhì)出口溫度為350 ℃，操作壓力為10 MPa，爐管材質(zhì)為Q245R，規(guī)格尺寸為φ60 mm×5 mm。2017年，該加熱爐的一根水冷壁爐管突然發(fā)生爆裂，造成裝置緊急停車，經(jīng)濟損失較大。為了查明爐管爆裂原因，技術(shù)人員對失效爐管進行檢測分析，以便采取措施避免類似事故發(fā)生。

1 爐管宏觀檢查分析

爐管在迎火側(cè)爆裂出一個較大的開口，開裂處的剩余壁厚仍然較厚，表明管體鼓包時塑性變形導(dǎo)致的減薄并不顯著(見圖1)。爐管外壁的氧化層較厚(見圖2)，觀察圖1和圖2爐管迎火側(cè)爆裂附近，發(fā)現(xiàn)外壁存在一些縱向(軸向)的疑似裂紋，這些裂紋并非氧化層開裂，而是管體中存在的裂紋，由此推斷這些裂紋與爐管爆裂有關(guān)。

排查近期加熱爐工況，未發(fā)現(xiàn)短期超溫超壓現(xiàn)象，吹掃清理該爐管，也未發(fā)現(xiàn)異物堵塞和內(nèi)壁結(jié)垢情況，說明爐管爆裂不是偶發(fā)事故，應(yīng)該是爐管長期運行造成的普遍現(xiàn)象。因此，將爆裂爐管左右相鄰的10根爐管也截取下來，通過檢測爐管的最大外徑和最小壁厚尺寸，發(fā)現(xiàn)相鄰爐管在迎火側(cè)也存在不同程度的鼓脹現(xiàn)象，見圖3及表1。

圖1 爐管爆裂宏觀形貌

圖2 爆裂區(qū)附近管體外壁形貌

圖3 相鄰爐管橫截面輕度鼓脹

編 號最大外徑/mm最小壁厚/mm162.73.8263.53.1362.43.5461.84.1562.43.7661.93.9762.73.5862.33.8962.63.31063.03.7

注：爐管原始外徑φ60 mm，原始壁厚5.0 mm。

2 爆裂爐管內(nèi)外壁微觀檢測分析

在爆裂爐管附近截取小試件，將試件內(nèi)外壁清洗干凈，用日立S3400型掃描電鏡觀察分析爐管內(nèi)外壁的微觀形貌(見圖4和圖5)，用牛津INCA350型能譜儀檢測爐管內(nèi)外壁的腐蝕產(chǎn)物成分。

由圖4和圖5可以看出，爐管爆口附近內(nèi)外壁均有裂紋。爐管外壁的裂紋深度略大于內(nèi)壁，這與外壁氧化腐蝕比內(nèi)壁嚴重有關(guān)。這些裂紋縱向延伸，基本無環(huán)向裂紋，這與爐管承受內(nèi)壓導(dǎo)致的最大應(yīng)力方向一致。爐管在高溫條件下塑性很好，爆裂時表面氧化層會產(chǎn)生縱橫方向開裂，但是管體母材不會產(chǎn)生較大裂紋。所以，判斷這些裂紋是爆裂之前已經(jīng)產(chǎn)生的，這是導(dǎo)致爐管爆裂的主要因素。

圖4 爆口附近外壁裂紋形貌 50×

檢測爐管內(nèi)外壁的腐蝕產(chǎn)物成分，結(jié)果見圖6和圖7。爐管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物成分只有Fe和O元素，說明內(nèi)壁是高溫蒸汽產(chǎn)生的氧化腐蝕。爐管外壁的腐蝕產(chǎn)物成分復(fù)雜，不但有Fe和O元素，還含有少量的Ca、Na等元素，說明外壁不但有高溫氧化腐蝕，還有少量煙氣沉積物，然而未發(fā)現(xiàn)S元素，由此排除每次停爐時煙氣中的硫化物冷凝產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕。

圖5 爆口附近內(nèi)壁裂紋形貌 50×

圖6 管體外壁腐蝕產(chǎn)物成分能譜

圖7 管體內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物成分能譜

3 爆裂爐管的金相組織檢測分析

在爆裂爐管附近截取小試件，將試件橫截面研磨和拋光，用質(zhì)量濃度為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，用掃描電鏡觀察分析爐管內(nèi)外壁氧化層厚度以及金相組織損傷程度,見圖8和圖9。

由圖8和圖9可以看出，爐管內(nèi)外壁的氧化層均較厚，外壁氧化層最大厚度達到0.4 mm左右，內(nèi)壁氧化層厚度為0.2～0.3 mm，內(nèi)外壁氧化層較厚，減小了爐管的承載壁厚，這是導(dǎo)致爐管爆裂的因素之一。

由圖8可以看出，外壁氧化層局部開裂擴展，形成一種前部較鈍的淺裂紋。這種裂紋不是尖銳分叉的應(yīng)力腐蝕裂紋，而是一種長周期的反復(fù)氧化后開裂所形成的類似于腐蝕疲勞裂紋。結(jié)合該加熱爐頻繁啟停，由20多年的上百次啟停爐循環(huán)周期判斷，加熱爐的多次啟停爐造成了這種氧化層開裂、氧化和緩慢擴展，由此確定氧化疲勞裂紋是造成爐管爆裂的主要因素。

圖8 爐管外壁附近橫截面形貌 70×

圖9 爐管內(nèi)壁附近橫截面形貌 200×

爐管的金相組織為大部分鐵素體及少部分珠光體(見圖10)，為Q245R正火組織，晶粒度達到7.5級。爐管內(nèi)外壁附近金相組織未發(fā)現(xiàn)嚴重的脫碳現(xiàn)象。由圖10可以看出，爐管的金相組織已經(jīng)發(fā)生了珠光體球化損傷，碳化物由片層狀轉(zhuǎn)化為顆粒狀，已經(jīng)開始分散。依據(jù)DL/T 674—1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》，爐管的金相組織珠光體球化等級達到3級(輕度球化)。金相組織珠光體球化會導(dǎo)致爐管強度下降，蠕變鼓脹傾向增大，這也是導(dǎo)致爐管爆裂的因素之一。

圖10 爐管高倍金相組織 1 000×

4 結(jié)論及措施

通過以上檢測分析以及生產(chǎn)工況排查，排除了加熱爐短期超溫超壓、爐管內(nèi)壁結(jié)垢嚴重、管內(nèi)異物堵塞及硫化物應(yīng)力腐蝕這些因素造成爐管爆裂的可能性。根據(jù)爐管開裂處壁厚仍然較厚、爆裂附近存在縱向裂紋及加熱爐頻繁啟停這些現(xiàn)象，判斷爐管長期的高溫氧化疊加啟停爐交變載荷產(chǎn)生的氧化疲勞裂紋是造成這次爐管爆裂的主要原因。爐管內(nèi)外壁氧化層較厚以及金相組織珠光體球化降低了爐管的承載能力，是造成爐管爆裂的次要原因。

爆裂部位相鄰爐管也發(fā)現(xiàn)了輕度鼓脹現(xiàn)象，說明該加熱爐爐管均存在爆裂隱患，立即將加熱爐全部爐管進行報廢更換。此外，不僅要考慮加熱爐爐管使用周期10×104h的設(shè)計壽命，還要考慮頻繁啟停加熱爐造成的疲勞因素，因此，制定了爐管累計運行5×104h就開始定期監(jiān)測以及累計8×104h開始更換的使用周期制度。