干熄焦鍋爐二次過熱器爆管原因分析

伍韶君，齊福利，時(shí)金玉

（1.蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽蕪湖 241003；2.蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽蕪湖 241002）

0 引言

干熄焦鍋爐是一種余熱鍋爐，利用布置在爐內(nèi)的過熱器（一般為2 級）、蒸發(fā)器、省煤器、水冷壁、吊頂管等受熱面來吸收高溫?zé)煔獾臒崃渴菇o水變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝?/p>

1 干熄焦鍋爐概況

某廠1 臺(tái)干熄焦鍋爐，型號(hào)為QC 213/930-81-10.3/540，設(shè)計(jì)進(jìn)口煙氣流量為213 000 Nm3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)口煙氣溫度為930 ℃，進(jìn)口煙氣設(shè)計(jì)焦炭粒子濃度為8 g/Nm3，額定蒸發(fā)量81 t/h，額定出口壓力10.3 MPa，額定出口溫度540 ℃。二次過熱器布置在爐內(nèi)最上段，煙氣經(jīng)水平煙道后90°轉(zhuǎn)向從上而下沖刷管子外壁，蒸汽從二次過熱器進(jìn)口集箱經(jīng)二次過熱器管流向出口集箱。二次過熱器管規(guī)格Φ38×4 mm，材料12Cr1MoVG（GB 5310—2008）。管排為順流錯(cuò)列布置，左右方向共布置80 組蛇形管。運(yùn)行4年，左起第36 組最上排管子有兩個(gè)位置爆管，二次過熱器管排如圖1 所示。

圖1 二次過熱器管排示意

2 宏觀檢查和理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀檢查

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)二次過熱器管外表面粗糙不平，管子無彎曲變形、明顯脹粗等現(xiàn)象，爆口附近以外區(qū)域呈灰黑色，爆口附近區(qū)域呈黃褐色。爆管的宏觀形貌如圖2 所示，兩個(gè)爆口位于管子迎風(fēng)面正上方，開口較小，沿管子軸向發(fā)展，成長條形。爆口處管壁減薄很明顯，如圖3 所示，管子外表面出現(xiàn)厚度約1 mm的腐蝕產(chǎn)物層，局部脫落后呈現(xiàn)凹坑，未發(fā)現(xiàn)裂紋。在兩個(gè)爆口之間進(jìn)行割管檢查，管子內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢、鼓泡、裂紋和雜物；從管子橫截面看，也發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)面的壁厚明顯小于背風(fēng)面。

圖2 二次過熱器爆管宏觀形貌

圖3 爆口附近區(qū)域宏觀形貌

2.2 壁厚測量

對該根爆管進(jìn)行壁厚測量，爆口附近迎風(fēng)面處壁厚僅為1.3～1.6 mm，背風(fēng)面壁厚為3.1～3.3 mm。對爆管相鄰的管子（左起第33～47 組最上排管子）進(jìn)行壁厚測量，同樣發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)面壁厚減薄很嚴(yán)重。

2.3 化學(xué)成分分析

對該根失效管完好區(qū)域打磨露出金屬光澤后取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析見表1，結(jié)果顯示管子化學(xué)成份符合鋼管標(biāo)準(zhǔn)[1]的要求。

表1 二次過熱器管12Cr1MoVG的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.4 金相分析

對該根失效管的迎風(fēng)面和背風(fēng)面管壁取樣進(jìn)行金相分析，背風(fēng)面基體金相組織如圖4 所示，金相組織為鐵素體加貝氏體加珠光體；迎風(fēng)面基體金相組織如圖5 所示，金相組織為鐵素體加貝氏體加珠光體。根據(jù)DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV 鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》，管子背風(fēng)面基體球化組織特征：球化級別1 級（未球化）；管子迎風(fēng)面基體球化組織特征：球化級別3 級（中度球化）。

圖4 失效管背風(fēng)面基體金相組織

圖5 失效管迎風(fēng)面基體金相組織

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，牌號(hào)為12Cr1MoVG（壁厚≤30 mm）的鋼管，交貨熱處理狀態(tài)為正火加回火，其正常顯微組織為鐵素體加粒狀貝氏體或鐵素體加珠光體或鐵素體加粒狀貝氏體加珠光體，允許存在索氏體。故管子背風(fēng)面基體金相組織為正常供貨狀態(tài)的組織，結(jié)合其化學(xué)成分分析結(jié)果，說明管子出廠時(shí)質(zhì)量不存在問題。

2.5 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

鑒于爆管外壁的腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部出現(xiàn)分層現(xiàn)象，分別對內(nèi)層、中間層、外層腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析。內(nèi)層和中間層元素組成基本相同，主要元素為Fe、O 以及部分S，推測腐蝕產(chǎn)物主要為鐵氧化物和部分硫化物。外層主要元素為Fe、O以及量的Si、S、Mg、Al、Zn、Ca、Cr、Ti 等元素，推測外層腐蝕產(chǎn)物主要為鐵氧化物和焦炭中的灰分。

3 過熱器爆管原因分析

過熱器在運(yùn)行中管子外壁為高溫?zé)煔?，且煙氣中含有焦炭顆粒以及氧、硫等腐蝕性成分，管內(nèi)為高溫蒸汽。作為煙氣進(jìn)口的第一級受熱面，二次過熱器管工況最為惡劣，其損傷模式主要有以下6 種。

3.1 高溫蠕變

在低于屈服應(yīng)力的載荷作用下，高溫設(shè)備或設(shè)備高溫部分金屬材料隨時(shí)間推移緩慢發(fā)生塑性的過程稱為蠕變[2]。蠕變變形將導(dǎo)致構(gòu)件實(shí)際承載截面收縮，壁厚減薄，應(yīng)力升高，并最終發(fā)生斷裂。高溫蠕變的常見現(xiàn)象為鼓脹、鼓包、開裂（裂紋）、下垂和弧狀彎曲。案例中二次過熱器管沒有發(fā)現(xiàn)脹粗、開裂和彎曲變形等現(xiàn)象，金相分析沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，因此可以排除爆管是由于高溫蠕變的原因所導(dǎo)致。

3.2 高溫氧化腐蝕

高溫下氧氣和金屬反應(yīng)生成氧化物膜[2]。在溫度高于570 ℃時(shí)，鐵氧化形成三層連續(xù)的氧化膜，由鐵表面起向外依次為FeO、Fe3O4、Fe2O3[3]，F(xiàn)e2O3與基體的結(jié)合性較差，容易被沖刷剝落[4]。從對爆管外壁腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果看，腐蝕產(chǎn)物主要是鐵的氧化物，說明二次過熱器管外壁在高溫下發(fā)生了氧化腐蝕。

3.3 高溫硫腐蝕

高溫硫腐蝕分兩種情況：一是含硫氣體（如SO2）高溫下直接與金屬作用，生成硫化物，其反應(yīng)速率隨著溫度的升高逐步增大，700 ℃以上反應(yīng)速率才開始明顯加快[5]；二是單質(zhì)硫與金屬表面反應(yīng)生成硫化物，在400～500 ℃的條件下即迅速發(fā)生反應(yīng)[5]。反應(yīng)機(jī)理如下：

高溫硫腐蝕生成的FeS 本身結(jié)構(gòu)比較疏松[5]，與金屬管壁結(jié)合不牢固，在煙氣的沖刷下容易脫落。從對爆管外壁腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果推測，二次過熱器管外壁在高溫下發(fā)生了硫腐蝕。

3.4 高溫氫腐蝕

過熱器管內(nèi)為高溫水蒸汽，在400 ℃以上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生蒸汽側(cè)腐蝕[6]，反應(yīng)機(jī)理如下：

蒸汽側(cè)腐蝕產(chǎn)生的氫氣，如果不能較快地被蒸汽流帶走，就會(huì)與鋼材發(fā)生作用，使鋼材表面脫碳并使之變脆，反應(yīng)式如下：

甲烷氣體積聚在鋼中，產(chǎn)生內(nèi)壓力，使內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，使鋼材變脆。案例中，通過對爆管內(nèi)壁的檢查，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁鼓泡和微裂紋，可以排除高溫氫腐蝕的原因?qū)е卤堋?/p>

3.5 球化

球化是指材料在高溫（440～760 ℃）長期使用過程中，珠光體中滲碳體（碳化物）形態(tài)由最初的層片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀的過程[2]。隨溫度的升高，球化加速。球化將導(dǎo)致材料強(qiáng)度的降低。在鍋爐運(yùn)行時(shí)間只有4年的情況下，爆管迎風(fēng)面基體金相分析結(jié)果為中度球化，推測干熄焦鍋爐在生產(chǎn)中可能存在超溫運(yùn)行的現(xiàn)象導(dǎo)致二次過熱器管壁過熱，從而加速了顯微組織的球化。查閱在爆管發(fā)生前該鍋爐半年內(nèi)的運(yùn)行記錄，發(fā)現(xiàn)鍋爐進(jìn)口煙氣溫度常達(dá)到960 ℃，最高達(dá)到989 ℃，超過額定進(jìn)口煙氣溫度30～59 ℃，驗(yàn)證了文中的推測。

3.6 沖刷磨損

含有硬顆粒（焦炭粒子）的煙氣以一定的速度沖刷過熱器管，會(huì)對過熱器管外壁產(chǎn)生磨損，金屬磨損量與煙氣中的焦炭粒子質(zhì)量濃度以及煙氣流速的三次方成正比[6]。沖刷磨損可以在很短的時(shí)間內(nèi)造成材料局部嚴(yán)重?fù)p失，并形成坑、溝、槽、孔和波紋狀形貌。

案例中，二次過熱器管外壁在腐蝕層剝落后局部有凹坑，推斷應(yīng)該是煙氣沖刷磨損所產(chǎn)生的，且煙氣對迎風(fēng)面管壁的沖刷磨損程度明顯比背風(fēng)面嚴(yán)重，導(dǎo)致迎風(fēng)面處壁厚明顯小于背風(fēng)面。沖刷磨損不僅導(dǎo)致管子基體的減薄，還會(huì)使外壁腐蝕產(chǎn)物層機(jī)械剝落加速，露出的新鮮金屬表面會(huì)繼續(xù)發(fā)生腐蝕反應(yīng)，從而造成管壁不斷減薄，當(dāng)局部管壁不能承受管內(nèi)的高壓蒸汽時(shí)，最終導(dǎo)致爆管。

4 結(jié)束語

綜上所述，該臺(tái)干熄焦鍋爐二次過熱器爆管是由于煙氣沖刷磨損、高溫氧化腐蝕、高溫硫腐蝕和超溫運(yùn)行的共同作用所導(dǎo)致。建議對二次過熱器最上面幾排管子的外壁噴涂防磨涂層，并降低鍋爐進(jìn)口煙氣中焦炭粒子濃度、氧含量和硫含量，同時(shí)嚴(yán)格控制好鍋爐運(yùn)行工藝參數(shù)，將有助于預(yù)防二次過熱器爆管事故的發(fā)生。