余热锅炉过热器爆管原因分析

一、损坏情况

　　1．一级过热器西起第5排、南数第1根管爆破，爆口中心线距下弯管底部510mm。宏观检查发现南数第1根、第2根管表面有黑褐色高温氧化层，个别氧化层脱落，管径有明显胀粗，南数第1根管爆破后，因爆管喷出的蒸汽反作用力，使其向北位移70～100mm。南数第3根一第6根管（入口管），管子表面呈棕红色，并附有灰白色灰垢，管径无胀粗现象。

　　2．破口宽90mm、长95mm，撕裂长度分别为107mm和38mm（脱落），破口的断裂面粗糙且不平整，破口附近有很多纵向蠕胀裂纹，裂纹平行于破口，起爆点管子壁厚2.2mm，破口表面氧化层厚0.66mm，外表面氧化层厚0.4mm。

　　3．使用XLTRO型内窥镜对西起第5排入口管、南数第2根管和第1个弯管内壁进行检查，内壁均有均匀的氧化层。

　　4．使用XH-500型金相显微镜对6个部位进行检验，检验结果：爆口处为轻度球化，即球化3级，金相组织为珠光体加铁素体加少量碳化物。爆口处的背火面金相组织为珠光体加铁素体，存在倾向性球化，即球化2级。起爆点向下l00mm处的向火面金相组织为珠光体加铁素体，倾向性球化，即球化2级。起爆点向下l00mm处背火面金相组织为珠光体加铁素体，倾向性球化，即球化2级。爆口上部撕裂部位金相组织为珠光体加铁素体，倾向胜球化，即球化2级。西起第5排、南数第6根管（入口端）金相组织为珠光体加铁素体，未球化，即球化1级。

　　5．使用X射线能谱仪对爆管内壁氧化层进行成分（重量百分数）测定（表1）。

　　表1 %

　　6．使用XL-30型扫描电镜，对爆口和撕裂部位观察断口形态，爆口起始点呈现一定的塑性变形，局部出现环形空洞。撕裂断口呈现明显的脆性断裂形态。

　　二、检验分析

　　1．爆破的管子和与其相连的管子外表面呈黑褐色高温氧化层，管径胀粗率分别为6.3%、17.1%和21.3%，明显超出2.5%的规定，说明爆管是由超温引起的。其余各排管子外表面均呈棕红色氧化层（三氧化二铁），并附有灰白色浮灰，管径测量为38.1～38.4mm，胀粗率0.26%～1%，表明这些管子没有超温现象。因此，可以说明，仅一级过热器西起第5排、南数第1、2根管子超温，具有特殊性。排除了一级过热器管热负荷过高、选材裕度不足等普遍超温和管径胀粗的原因。

　　2．破口边缘为钝边，断口平齐粗糙，破口附近有平行于破口的纵向短裂纹，爆口边缘有明显的变形和胀粗现象，这些特征说明，该爆管属于典型的脆性破坏，具有长期超温特征。

　　3．内窥镜检查，发现西起第5排、南数第1根管的下弯管底部的腐蚀坑和纵向划痕应引起重视。可能在集箱或过热器管系中有杂物，即所谓管内异物堵塞，没有足够流量的蒸汽冷却管壁，引起超温，爆破后，异物被高压蒸汽冲出时留下的冲击痕迹。

　　4．取爆口横截面磨制金相样品，发现平行口边缘有很多裂纹，这些裂纹自外向内壁沿晶界发展，说明管壁超温（即超过15CrMo钢允许温度550℃），管子金属在应力作用下发生蠕变，即管径胀粗，出现蠕变和沿晶界裂纹，直至破裂。金相检验中，还发现管子内外壁有氧化层、脱碳层，金相组织中珠光体球化，爆口处珠光体球化3级，背火面球化2级，入口侧，即西起第5排、南数第6根管，金相组织中珠光体未发现球化，组织正常。爆口处珠光体球化和碳化物在晶界上聚集，并伴随有蠕变损伤，即蠕变裂纹形成，说明材料已经劣化，这是金属材料长期超温运行的必然结果。珠光体球化与温度有直接关系，温度愈高，球化速度愈快。

　　5．爆管取样，进行化学成分分析表明，一级过热器管材料完全符合GB5310-95标准中15CrMo钢的要求。一级过热器管设计，按照GB9222-88《水管锅炉受压元件强度计算》规定，完全可以满足一级过热器正常运行要求，仅4500h就发生爆管，说明爆管损坏部位的实际壁温远大于550℃。

　　6．对爆管内壁氧化层进行能谱分析和物相X射线衍射分析，黑褐色氧化层主要为铁的氧化物，其相成分为Fe3O4（主）加FeO（次）。

　　当钢材在含有氧的介质中受热时，其表面将发生氧腐蚀，高温氧化是指钢在高温条件下，与腐蚀介质作用发生的腐蚀，与温度、时间、气体介质成份、压力、流速、钢材成分等有关。钢在低于570℃以下的氧化，首先是钢管表面碳的氧化即脱碳现象：Fe3C+O2→3Fe+CO2↑然后发生的是铁的氧化：2Fe+O2→2FeO或3Fe+2O2→Fe3 O4，由于管壁上生成Fe3O4氧化过程减慢，但Fe3O4的导热性能低，而引起管壁温度逐渐升高，当壁温超过570℃以上时，当壁温超过570℃以上时，产生过热蒸汽腐蚀即高温氧化腐蚀，其他过程：

　　3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2↑

　　3FeO+H2O→Fe3O4+H2↑

　　Fe3O4+Fe→4FeO

　　在570℃以上出现上述三个反应，说明内壁超温幅度愈高，氧化层愈厚，爆管处向火面严重超温，内外壁产生高温氧化腐蚀，管壁明显减薄，并且有蠕变和蠕变裂纹出现，在内压应力作用下造成爆管。