分享：某蒸汽锅炉高温过热器12Cr1MoVG钢管爆裂原因

过热器是锅炉的重要组成部分，是把饱和蒸汽加热至一定温度过热蒸汽的设备。过热器的服役温度高、承受压力大、使用环境复杂苛刻，长期运行时易发生材料老化、磨损、过热、腐蚀、蠕变或热疲劳等现象，严重时甚至发生锅炉非计划停机事故，影响机组的安全性和经济性[1-2]。12Cr1MoVG钢具有较高的持久强度、良好的抗氧化性、无热脆倾向、较好的焊接性能等特点，主要应用于锅炉等高温零部件中，如蒸汽温度低于540 ℃的锅炉集箱和蒸汽管道，以及金属外壁温度低于580 ℃的过热器、再热器等[3]。 

某公司蒸汽锅炉投入运行不足2 a就发生高温过热器爆管事故，造成非计划停炉。该锅炉高温过热器的额定工作温度为420 ℃，额定工作压力为4.43 MPa。过热器管规格为60 mm×5 mm（外径×壁厚），材料为12Cr1MoVG钢，执行标准为GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》。笔者采用一系列理化检验方法分析了该锅炉过热器爆管的原因，以避免该类事故再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

过热器爆裂管宏观形貌如图1所示。由图1可知：爆口处有鼓胀现象，塑性变形明显，裂口从鼓胀区轴向开裂，至径向撕裂，爆口边缘锐利，壁厚严重减薄，经测厚发现最薄处约为0.5 mm；过热器管内壁可见较厚的垢层，厚度约为1.5 mm，垢层坚硬、不易剥落；爆口处未见垢层，原因为爆管时蒸汽压力导致垢层脱落。从爆口形貌特征判断，过热器管爆裂性质为短时超温爆裂。 

图  1  过热器爆裂管宏观形貌

1.2   化学成分分析

依据标准GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》，采用电火花直读光谱仪对过热器管进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：过热器管材料的化学成分合格，符合GB/T 5310—2017对12Cr1MoVG钢的要求。 

1.3   拉伸试验

依据标准GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》，在过热器远离爆口的直管段取样，对试样进行室温拉伸试验，结果如表2所示。由表2可知：过热器管的室温拉伸性能合格，符合GB/T 5310—2017对12Cr1MoVG钢的要求。 

1.4   硬度测试

依据标准GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，在爆口处、离爆口500 mm和远离爆口的位置取样，由于爆口处管壁减薄量大，故对其进行表面维氏硬度测试，结果如表3所示。由表3可知：爆口处材料的硬度低于标准值；离爆口500 mm的材料硬度仍低于标准值，接近标准下限；远离爆口材料的硬度符合标准值。 

1.5   金相检验

依据DL/T 884—2019《火电厂金相检验与评定技术导则》对观察面进行金相检验。首先在爆口处取样，其显微组织形貌如图2所示。由图2可知：爆口试样显微组织中的珠光体形态几乎消失，晶内碳化物显著减少，按DL/T 773—2016《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》进行球化评级，可知该显微组织发生5级严重球化。在离爆口500 mm位置取样，其显微组织形貌如图3所示。由图3可知，该试样显微组织中仅局部区域有少量珠光体痕迹，碳化物明显聚集长大，属于4.5级完全球化。在远离爆口位置取样，其显微组织形貌如图4所示。由图4可知，该试样显微组织中珠光体区域开始分散，形态仍较清晰，晶界有碳化物析出，属于2.5级轻度球化。 

图  2  爆口试样的显微组织形貌

图  3  离爆口500 mm处试样的显微组织形貌

图  4  远离爆口处试样的显微组织形貌

1.6   垢层分析

利用能谱仪对爆口处内壁垢层进行能谱分析，结果如图5所示。由图5可知：垢层化学成分中以Fe元素和O元素为主，说明垢层物质为铁的氧化物，未见Ca、Mg等常见水垢元素，分析该垢层物质应为服役过程中腐蚀形成的铁垢。 

图  5  爆口处内壁垢层SEM形貌及能谱

2.   综合分析

由爆管的宏观形貌可知，换热管爆口区域塑性变形明显，边缘壁厚减薄量大，具有短时超温爆管的特征。硬度测试结果显示，爆口处硬度平均值为123 HV，明显低于标准要求135~195 HV，远离爆口处硬度平均值为155 HV，符合标准要求。金相检验结果表明，爆口组织严重球化，珠光体形态几乎消失，晶内碳化物显著减少，但未见裂纹，依据DL/T 773—2016标准评级，得到爆口处组织已达到球化5级。离爆口500 mm位置处仅局部区域有少量珠光体痕迹，碳化物明显聚集长大，达到球化4.5级。远离爆口组织的珠光体形态清晰，晶界有碳化物析出，属于2.5级轻度球化。可见越靠近过热器管爆口，显微组织中珠光体球化级别（损伤）越高。研究显示[3]，随着显微组织球化程度的加剧，硬度会逐渐降低，球化中期硬度下降较快，球化后期硬度下降相对平缓。不同区域硬度的变化与显微组织球化趋势吻合。 

温度是影响珠光体球化速率的重要因素[4]。该锅炉投运后服役不足2 a，其高温过热器额定工作温度为420 ℃，而爆口处材料组织球化已达5级，远远超过12Cr1MoVG钢在许用温度（≤580 ℃）服役相同时间的损伤程度。长期超温服役是材料加速球化损伤的直接原因。过热器管内壁严重结垢，能谱分析显示垢层中有较高含量的Fe、O元素，垢层物质为铁的氧化物，属于氧化铁垢。氧化铁垢的导热系数低，仅为钢的1/10左右。内壁结垢会降低高温烟气与过热蒸汽的换热效率，导致过热器管壁面温度升高。当壁温超过材料规定使用温度的上限时，过热器管进入超温服役状态。 

查阅锅炉运行日志，发现在爆管近期锅炉都是高负荷运行。分析日志显示炉水氧含量超标，会导致过热蒸汽中的氧含量偏高。当锅炉高负荷运行时，蒸汽流量大、流速快，容易造成蒸汽带水，引起过热器管内壁腐蚀，生成Fe3O4，这是铁垢的来源[5]。锅炉在启停或负荷调整时，容易出现蒸汽流量变动大或炉内温降过快的现象，由于金属与氧化铁垢的膨胀系数不同，因此过热器铁垢会发生分离、脱落。脱落后的铁垢在过热器中聚积，多数是在下弯头底部沉积，造成过热蒸汽流速变慢，引起过热器直管段管壁面温度上升。长期超温运行导致过热器管材料严重劣化，强度下降，此时壁面温度继续上升，在工作压力和热应力的作用下，过热器发生鼓胀，进而发生爆管事故。 

3.   结论与建议

（1）该过热器管材料的化学成分合格，符合标准GB/T 5310—2017的要求。 

（2）内壁结垢导致过热器管长期超温运行，材料组织严重球化，力学性能下降。长期高负荷运行使垢层脱落并在下弯头沉积，引起直管段严重超温，在工作压力和热应力的作用下发生鼓胀，进而引起爆管事故。 

（3）建议严格控制炉水中的溶解氧含量，确保炉水满足锅炉使用标准，避免锅炉长期高负荷运行。

文章来源——材料与测试网