過熱器是鍋爐中的重要部件,其主要作用是將飽和蒸汽加熱成具有一定溫度的過熱蒸汽,從而提升蒸汽作功能力,提高電廠的熱循環效率[1–2]。某單位二次過熱器蛇形管材料為12Cr2MoWVTiB鋼,規格為32 mm×4.5 mm（外徑×壁厚）,管道安裝于鍋爐上,外部介質為鍋爐煙氣,內部介質為過熱蒸汽,在使用2個月后,鍋爐二次過熱器發生爆管現象。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了管道爆裂的原因,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對爆裂管道進行宏觀觀察,管道爆口向兩側張開,存在明顯塑性變形,說明管道是在較大的內部壓力作用下爆裂的,爆裂時的反作用力使管道向反方向彎曲；管道外壁可見大片表皮剝落,管道宏觀形貌如圖1所示。在管道爆口處的剖面截取試樣,無明顯減薄處的管壁厚度為4.34 mm,明顯減薄處的管壁厚度為1.26 mm,管道爆口剖面宏觀形貌如圖2所示。 

圖  1  爆裂管道宏觀形貌

圖  2  管道爆口剖面宏觀形貌

從宏觀形貌來看,管道外壁因腐蝕而出現局部明顯減薄現象,在管道內部壓力的作用下,管道發生一次性爆裂現象。 

1.2   化學成分分析

采用直讀光譜儀對管道進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：管道材料元素含量均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr2MoWVTiB鋼的要求。 

1.3   X射線衍射分析

從管道外壁刮下表皮剝落層,將剝落層磨碎后置于X射線衍射儀下進行物相分析,結果如圖3所示。由圖3可知：管道外壁異物的主要成分為Fe2O3,說明管道外壁在高溫煙氣的作用下發生了氧化腐蝕,形成的氧化物剝落,導致管壁發生減薄現象。 

圖  3  XRD分析結果

1.4   掃描電鏡(SEM)和能譜分析

在斷口上截取試樣,將試樣清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察,并對異物進行能譜分析,斷口處SEM形貌及異物能譜分析結果如圖4所示。由圖4可知：斷口處氧化腐蝕嚴重,無法觀察原始斷口的形貌,能譜分析結果顯示斷口處含有磷、氯等腐蝕性元素。 

圖  4  鋼管斷口處SEM形貌及異物處能譜分析結果

在斷口剖面截取并制備金相試樣,將試樣鑲嵌、磨拋并置于掃描電子顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：剖面處外壁有氧化腐蝕產物,其他區域外壁覆蓋了厚重的氧化腐蝕產物,經能譜分析可檢測到較高含量的硫元素,以及磷等腐蝕性元素,能譜分析結果如圖6~7所示。 

圖  5  鋼管爆裂處剖面SEM形貌

圖  6  剖面試樣能譜分析結果

圖  7  剖面試樣能譜分析結果

1.5   金相檢驗

將剖面金相試樣腐蝕后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖8所示。由圖8可知：試樣材料顯微組織為鐵素體+珠光體。 

圖  8  試樣材料顯微組織形貌

2.   綜合分析

送檢管道的化學成分符合標準要求。管道爆裂處斷口向兩側張開,存在明顯塑性變形,管道外壁可見大片表皮剝落,導致管壁明顯減薄,其厚度為1.26 mm,分析認為管道外壁因腐蝕而發生局部明顯減薄現象,在管道內部壓力的作用下,管道發生一次性斷裂現象。管道外壁異物的主要成分為Fe2O3,說明管道外壁在高溫煙氣的作用下發生了氧化腐蝕,形成了氧化物類的腐蝕產物,在煙氣的沖刷作用下腐蝕產物剝落,導致管壁減薄[3]。 

3.   結論

管道外部介質中硫、磷、氯等腐蝕性元素含量較高,導致管道外壁發生氧化腐蝕現象,管道在煙氣的沖刷作用下減薄,導致管壁承載能力下降,最終管道減薄較嚴重區域在內部蒸汽壓力的作用下發生一次性爆裂現象。 

文章來源——材料與測試網