電站鍋爐是火力發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備,其能否長(zhǎng)周期運(yùn)行將直接影響整個(gè)機(jī)組的發(fā)電效率。鍋爐運(yùn)行時(shí),通過(guò)過(guò)熱器將飽和蒸汽加熱成過(guò)熱蒸汽,過(guò)熱器管是過(guò)熱器的主要受熱面,也是電站鍋爐承受溫度最高的承壓部件之一。鍋爐過(guò)熱器管斷裂失效是導(dǎo)致鍋爐停運(yùn)的常見(jiàn)原因[1]。12Cr1MoVG低合金耐熱鋼是鍋爐過(guò)熱器管常用材料,其主控元素為鉻、鉬、釩。其中,鉻元素可以提高材料的抗氧化性,鉬元素起固溶強(qiáng)化作用,釩元素可以降低鉻、鉬元素從鐵素體向碳化物轉(zhuǎn)移的速率,提高材料的熱穩(wěn)定性[2]。12Cr1MoVG鋼具有較高的抗蠕變性能和持久塑性、良好的焊接性能、成熟的熱處理工藝、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn),其最高使用溫度為550 ℃,主要用于鍋爐受熱面管道[3]。

某單位一臺(tái)蒸發(fā)量220 t/h的電站鍋爐運(yùn)行半年后,過(guò)熱器管即發(fā)生開(kāi)裂失效。鍋爐的設(shè)計(jì)壓力為9.8 MPa,最高工作溫度為540 ℃。過(guò)熱器管采用12Cr1MoVG鋼,規(guī)格為?51 mm×65 mm。為查明其開(kāi)裂原因,對(duì)過(guò)熱器管進(jìn)行形貌觀察、電鏡微觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相分析等,并查閱了安裝及運(yùn)行技術(shù)資料,找出了過(guò)熱器管的開(kāi)裂原因,以防止同類事故再次發(fā)生。

1. 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 形貌觀察

對(duì)失效過(guò)熱器管進(jìn)行宏觀檢查,其形貌如圖1所示。結(jié)果表明,過(guò)熱器管有兩處呈彎曲狀,內(nèi)彎部位為向火面,外彎部位為背火面,開(kāi)裂發(fā)生在其中一個(gè)彎管內(nèi)弧側(cè),且并排多根過(guò)熱器管在同一位置均出現(xiàn)相似開(kāi)裂現(xiàn)象。裂紋開(kāi)口較寬且穿透整個(gè)管壁,斷口兩側(cè)管段無(wú)明顯脹粗、變形現(xiàn)象,斷口最大寬度為2 mm,裂紋沿周向擴(kuò)展至彎管兩側(cè)面,斷口實(shí)測(cè)周長(zhǎng)79 mm,接近管子全周長(zhǎng)的二分之一。最小壁厚出現(xiàn)在彎管外弧側(cè),內(nèi)彎側(cè)最小壁厚為4.6 mm,外彎側(cè)最小壁厚為4.3 mm。斷口處外壁被黑褐色高溫氧化物覆蓋,這表明斷口是在高溫運(yùn)行時(shí)開(kāi)裂的。

圖 1開(kāi)裂過(guò)熱器管的宏觀形貌

Figure 1.Macrograph of cracked superheater tube

為了進(jìn)一步觀察斷口形貌,將管子從開(kāi)裂處橫向切開(kāi),再縱向切割為兩部分,結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明：斷口呈黑色,表面已明顯氧化,壁厚無(wú)明顯減薄現(xiàn)象；斷口處內(nèi)壁有厚0.5 mm左右的氧化層,且局部氧化層已出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

圖 2開(kāi)裂過(guò)熱器管斷口處的宏觀形貌

Figure 2.Macrographs of cracked superheater tube near fracture: (a) cross section: (b) lengthwise section

采用X-MAX 20型能譜儀（EDS）對(duì)斷口處彎管內(nèi)壁氧化層的化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明,內(nèi)壁氧化層主要含有鐵和氧元素,同時(shí)伴有大量的磷、鈉元素,推測(cè)氧化層的主要成分為氧化鐵。

圖 3斷口處內(nèi)壁氧化層的EDS分析結(jié)果

Figure 3.EDS analysis result of oxidation layer on inner wall at fracture

將斷口試樣放入弱酸水溶液中清洗,去除表面高溫氧化物,然后采用ZEISS Sigma 300型掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。在斷口上可見(jiàn)開(kāi)裂源處的缺口,如圖4（a）所示；缺口放大后,可見(jiàn)裂紋擴(kuò)展痕跡,裂紋從內(nèi)壁以“倒川字”形態(tài)向外壁擴(kuò)展,如圖4（b）所示；斷口表面和內(nèi)壁近表面都存在二次裂紋,如圖4（c）、（d）所示；在斷口脆斷區(qū)可見(jiàn)微觀撕裂痕跡,如圖4（e）所示；斷口上還出現(xiàn)了呈脆性開(kāi)裂特征的解理形貌,如圖4（f）所示。

圖 4開(kāi)裂過(guò)熱器管斷口的微觀形貌

Figure 4.Micro morphology of fracture of cracked superheater tube: (a) gap at cracking source: (b) crack growth marks: (c) secondary crack at fracture: (d) secondary crack at inner wall: (e) microscopic tear marks: (f) cleavage morphology

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)

從過(guò)熱器管斷口處取樣,依據(jù)GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》標(biāo)準(zhǔn),采用X-MET8000型直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),結(jié)果如表1所示。從表1中可見(jiàn),過(guò)熱器管斷口處的化學(xué)成分符合GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12Cr1MoVG鋼的要求。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

由于開(kāi)裂位置處于彎管處,無(wú)法截取拉伸試樣,故從開(kāi)裂位置兩側(cè)直管段向火面和背火面分別取樣,進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知,開(kāi)裂過(guò)熱器管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均滿足GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求,但向火面的各項(xiàng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)低于背火面,可見(jiàn)向火面力學(xué)性能有劣化趨勢(shì)。

1.4 硬度測(cè)試

在過(guò)熱器管開(kāi)裂部位彎曲段及相鄰直段截取全壁厚環(huán)狀試樣,采用H V-1000型維氏硬度儀在試樣橫截面進(jìn)行硬度測(cè)試,考慮到試件表面有脫碳層,從距離內(nèi)外表面0.5 mm處開(kāi)始測(cè)量[4],每個(gè)位置測(cè)4個(gè)點(diǎn),結(jié)果如表3所示。由表3可知,直管段向火面的硬度略低于背火面,這與力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果一致；彎曲段向火面硬度為170.7 HV,上述測(cè)試結(jié)果均滿足GB/T5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求,但是背火面硬度為206.8 H V,高于標(biāo)準(zhǔn)值,這是由彎曲變形強(qiáng)化所致。彎管冷彎成型后沒(méi)有經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力的熱處理,但高溫?zé)煔馀c向火面接觸,對(duì)向火面起到了熱處理作用,故向火面硬度低于背火面硬度[5]。

1.5 非金屬夾雜物分析

在斷口內(nèi)壁、斷口延伸部位分別截取全壁厚縱向試樣,按照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行非金屬夾雜物分析[6],結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明,兩個(gè)取樣部位均無(wú)夾雜物聚集現(xiàn)象,基體中只有少量夾雜物。其中,氧化鋁（B類）細(xì)系級(jí)別為1.0級(jí),球狀氧化物（D類）細(xì)系級(jí)別為0.5級(jí)、粗系級(jí)別為0.5級(jí),其余夾雜物A類、C類、DS類均未檢出。非金屬夾雜物級(jí)別符合GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)中不大于2.5級(jí)的規(guī)定。

圖 5開(kāi)裂過(guò)熱器管組織中夾雜物的形貌

Figure 5.Morphology of inclusions in microstructure of cracked superheater tube: (a) type B: (b) type D

1.6 金相檢查

在開(kāi)裂過(guò)熱器管斷口部位、斷口延伸部位（彎管側(cè)面）分別沿縱向取樣,斷口相鄰管段沿橫向取樣,按照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求,采用ZEISS Scope.A1型顯微鏡進(jìn)行金相檢查。

1.6.1 斷口部位

由圖6（a）可見(jiàn),斷口部位內(nèi)壁的組織為鐵素體、珠光體、貝氏體和顆粒狀晶界碳化物,晶粒度為7.0級(jí),脫碳層厚度為370 μm,內(nèi)壁存在多處凹坑,凹坑中有氧化鐵等腐蝕產(chǎn)物。由圖6（b）可見(jiàn),斷口部位外壁組織、晶粒度與內(nèi)壁相同,只是脫碳層比內(nèi)壁薄,厚度為270 μm,組織已發(fā)生3級(jí)球化,說(shuō)明管壁有過(guò)超溫現(xiàn)象[7]。由圖6（c）可見(jiàn),斷口邊緣組織中有部分晶粒出現(xiàn)沿晶脫落現(xiàn)象,此為低合金鋼堿應(yīng)力腐蝕的特征[8]。

圖 6開(kāi)裂過(guò)熱器管斷口部位的顯微組織

Figure 6.Microstructure of fracture of cracked superheater tube: (a) inner wall: (b) outer wall: (c) fracture edge

1.6.2 斷口延伸部位

由圖7（a）可見(jiàn),斷口延伸部位（彎管側(cè)面）組織為鐵素體、珠光體、貝氏體和顆粒狀晶界碳化物,晶粒度為7.5級(jí)；由圖7（b）可見(jiàn),試樣內(nèi)壁有多處凹坑,脫碳層厚280 μm；由圖7（c）可見(jiàn),試樣外壁脫碳層厚250 μm；由圖7（d）可見(jiàn),斷口延伸部位內(nèi)壁有多條二次裂紋,裂紋長(zhǎng)度為1.0~1.6 mm,方向與試樣表面近似垂直。

圖 7開(kāi)裂過(guò)熱器管斷口延伸部位的顯微組織

Figure 7.Microstructure of fracture extension part of cracked superheater tube: (a) cross-section: (b) inner wall: (c) outer wall: (d) secondary cracks in inner wall

1.6.3 斷口相鄰管段

由圖8（a）可見(jiàn),斷口相鄰管段內(nèi)壁（未用硝酸腐蝕）與開(kāi)裂源區(qū)域有多處位置出現(xiàn)微裂紋和凹坑,凹坑深度為0.04~0.10 mm,裂紋與表面接近垂直,其他區(qū)域未見(jiàn)裂紋缺陷,內(nèi)壁氧化層厚度為0.10 mm。由圖8（b）可見(jiàn),試樣外壁（未用硝酸腐蝕）未見(jiàn)明顯裂紋,但存在凹坑缺陷,氧化層厚度為0.09~0.20 mm；試樣內(nèi)外壁均有脫碳層,厚250 μm左右。由圖8（c,d）可見(jiàn),試樣橫截面組織多為鐵素體、珠光體、貝氏體和顆粒狀晶界碳化物,晶粒度為7.5級(jí),只有一個(gè)區(qū)域組織為板條狀馬氏體,這是斷口處蒸汽泄漏引起的急速冷卻所致。

圖 8開(kāi)裂過(guò)熱器管斷口相鄰管段的顯微組織

Figure 8.Microstructure of adjacent tube segment near fracture of cracked superheater tube: (a) inner wall: (b) outer wall: (c) cross-section: (d) martensite

2. 失效原因分析

通過(guò)化學(xué)成分檢測(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)、硬度測(cè)試可知,12Cr1MoVG鋼過(guò)熱器管各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)均符合GB 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求,不存在錯(cuò)用材料問(wèn)題。宏觀測(cè)厚發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)均有減薄現(xiàn)象,外弧側(cè)減薄為彎管拉伸所致,內(nèi)弧側(cè)減薄為氧化腐蝕所致,但壁厚均能滿足強(qiáng)度要求,不會(huì)導(dǎo)致彎管開(kāi)裂。非金屬夾雜物分析可知,斷口內(nèi)表面無(wú)夾雜物聚集現(xiàn)象,夾雜物粗細(xì)級(jí)別最高為1.0級(jí),滿足GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

金相分析可知,除相鄰管段一個(gè)區(qū)域由于蒸汽泄漏導(dǎo)致的馬氏體組織外,其余部位組織均為鐵素體、貝氏體、珠光體；其中斷口向火面組織有3級(jí)球化現(xiàn)象,斷口內(nèi)外壁均有脫碳層,內(nèi)壁脫碳層厚度為370 μm,不滿足GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)中“內(nèi)表面全脫碳層厚度小于300 μm”的要求[9],但是組織未出現(xiàn)老化現(xiàn)象,不會(huì)引起彎管開(kāi)裂[10]。在斷口相鄰管段未采用硝酸腐蝕的內(nèi)壁上,發(fā)現(xiàn)有微裂紋和腐蝕凹坑存在；斷口延伸部位內(nèi)壁有厚280 μm的脫碳層及多條二次裂紋。

宏觀分析可知,過(guò)熱器管于彎管內(nèi)彎處開(kāi)裂,裂紋兩端擴(kuò)展至彎管兩個(gè)側(cè)面,斷口處彎管內(nèi)壁有氧化層,氧化層熱傳導(dǎo)性能較差是導(dǎo)致過(guò)熱器管超溫的主要原因[11]。由掃描電鏡分析可知,僅斷口邊緣有輕微撕裂痕跡,整個(gè)斷口呈階梯狀解理形貌,與宏觀脆性斷裂特征相符。彎管內(nèi)表面微裂紋和腐蝕凹坑是開(kāi)裂起點(diǎn),清除氧化物后可見(jiàn)二次裂紋及沿晶開(kāi)裂痕跡,裂紋呈“倒川字”由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。

查閱安裝資料可知,12Cr1MoVG鋼過(guò)熱器管冷彎之后,沒(méi)有進(jìn)行熱處理,導(dǎo)致彎管部位硬度、強(qiáng)度升高,韌性降低[12]。冷彎加工使外側(cè)管壁減薄,彎管橫截面變?yōu)闄E圓形,產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,內(nèi)彎部位的管子內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力為拉應(yīng)力,為管子的軸向開(kāi)裂提供了條件[13]。

查閱運(yùn)行資料可知,爆管前一個(gè)月水汽化驗(yàn)記錄中,爐水中磷酸根離子含量和p H偏高質(zhì)量濃度為9~13 mg/L,p H為10.0~11.5。依據(jù)GB/T 12145-2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)汽包壓力為5.9~10.0 MPa時(shí),爐水中質(zhì)量濃度應(yīng)為2~10 mg/L,p H應(yīng)為9.0~10.5。為防止鍋爐運(yùn)行時(shí)結(jié)垢,在爐水中加入Na3PO4,并用NaOH調(diào)整爐水堿度。從運(yùn)行記錄可以看出,Na3PO4含量和堿度均高于標(biāo)準(zhǔn)值,溶解在水中的鹽類和游離態(tài)的堿會(huì)隨蒸汽流入過(guò)熱器[14]。在過(guò)熱器管彎頭部位蒸汽流速和方向變化,加之彎管處有氧化層,堿液在此沉積并濃縮,因此在內(nèi)壁氧化層中檢測(cè)出了鈉、磷元素,見(jiàn)圖3。

通過(guò)上述分析可知,過(guò)熱器管存在堿應(yīng)力腐蝕必備的三個(gè)條件,即較高的拉應(yīng)力、較高堿含量、較高壁溫[15]。堿應(yīng)力腐蝕從內(nèi)壁抗蝕能力較弱的脫碳層開(kāi)始,在彎曲殘余應(yīng)力和蒸汽壓力作用下,過(guò)熱器管以微裂紋和腐蝕凹坑為起點(diǎn)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,裂紋以沿晶開(kāi)裂形式擴(kuò)展至管道外壁,導(dǎo)致過(guò)熱器管斷裂。

3. 結(jié)論與建議

（1）過(guò)熱器管冷彎成型時(shí)未進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理,且在彎管向火面內(nèi)壁有微裂紋；運(yùn)行期間爐水中含量和p H偏高,水蒸氣攜帶鹽離子和游離態(tài)堿離子沉積在彎管處的氧化層中,濃縮的堿液在高溫下對(duì)過(guò)熱器管內(nèi)壁產(chǎn)生堿應(yīng)力腐蝕,在彎曲應(yīng)力和蒸汽壓力作用下,過(guò)熱器管產(chǎn)生微裂紋和腐蝕凹坑,并以此為起點(diǎn)發(fā)生沿晶開(kāi)裂。

（2）斷口部位彎管內(nèi)壁有較厚的氧化層,且運(yùn)行中氧化層有脫落現(xiàn)象,大幅降低了傳熱效率,導(dǎo)致彎管部位超溫運(yùn)行,造成金屬組織3級(jí)輕度球化、晶界有脫碳層析出,從而降低了斷口部位金屬的抗腐蝕能力,也加快了堿應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

（3）建議鍋爐受熱面彎管制作時(shí)進(jìn)行熱處理以消除應(yīng)力,并加強(qiáng)工藝控制,防止產(chǎn)生加工缺陷；鍋爐運(yùn)行期間嚴(yán)格控制各種藥劑含量,防止堿含量超標(biāo)；加強(qiáng)汽水循環(huán)指標(biāo)的監(jiān)控,防止局部超溫引起金屬組織劣化,從而導(dǎo)致受熱面金屬耐高溫腐蝕性能下降。

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