炼厂燃油锅炉屏式过热器管失效分析

莫烨强，罗建成，孙 亮，侯艳宏

(1.沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，沈阳 110180；2.中海炼化惠州炼油分公司，广东 惠州 516086)

0 引言

12Cr1MoV 钢是一种重要的珠光体型耐热钢，在汽轮机、锅炉等动力工程中广泛应用。该钢具有较高的持久强度和持久塑性，良好的抗氧化性能，而且无热脆性倾向，是目前用于高参数组锅炉主蒸汽管道的常用钢种之一［1］。

在过去的几十年，各国科研人员对锅炉12Cr1MoV 钢的蠕变寿命评定研究已取得了飞速的发展，积累了大量材料的蠕变实验数据，发展了持久强度试验法、损伤力学法以及应力法等多种寿命评定方法，建立了蠕变延伸率等失效准则［2-3］。但是这些方法都是建立在12Cr1MoV 钢的运行历史和应力分析基础上的宏观方法，较少考虑材料的失效微观机制以及实际的应用工艺。因此，要清楚知道材料的失效原因，提出有效的预防建议，仅靠上述方法还是远远不够的，还必须结合实际的操作环境对材料失效过程进行研究，深入了解材料失效起因，直至材料恶化到失效的过程［3-4］。

为此，本研究以惠州炼厂在役的燃油锅炉屏式过热器材质12Cr1MoV 为研究对象，从实际应用出发，结合其在锅炉过热器的使用情况，通过对材料的断面及其材料的金相组织、显微结构等分析，对导致材料性能劣化到失效的原因进行分析，为12Cr1MoV 类加热炉管在炼厂的实际应用提供参考和指导。

1 试验检测过程与结果

1.1 宏观形貌观察

对裂口管段进行检查，发现炉管裂口较小，且附近存在多条平行的裂纹(图1)。裂口长约22 mm，最宽处为5 mm，裂口壁厚属于厚唇裂口。裂口管道变形，断裂面粗糙而不平整，破口边缘是钝边，径向分布，爆裂部位管径有胀粗现象，裂口具有蠕变断裂的脆性断口形貌和特征，说明该管长期处于高温下运行，并在应力作用下发生蠕变，直至破裂［5］。

爆管及延续部位覆盖着较厚的氧化膜，并产生较多纵向表面小裂纹，而钢管周边的其余部位完好。这些氧化皮很脆，容易剥落。

图1 裂纹形貌Fig.1 Morphology of crack

1.2 金相组织检查

截取管壁横向截面试样，经磨抛观察，试样中的显微组织显示为铁素体和珠光体(图2a)，可在珠光体区域观察到存在较明显的黑色碳化物析出。进一步放大观察，可以看到，碳化物在晶界和晶内析出，并逐渐形成链状，说明了炉管长期受过热的影响(图2b)。

金相观察的结果表明，管道组织产生严重的珠光体球化。根据DLT 773—2001(火电厂用12Cr1MoV 钢球化评级标准)可知，U 形管道材质12Cr1MoV 球化程度达到4 级——完全球化［6］。

1.3 氧化速率测定

通过对失效炉管外表面氧化层测厚，外壁损失厚度的测定与计算，氧化速率R 公式为［7］:

其中，根据爆管测试出来的炉管外壁损失厚度δM为0.83 mm，炉管运行累积时间t 为3.5 a。由公式(1)计算出平均氧化速率R 为0.24 mm/a。

图2 爆管显微组织Fig.2 Metallographic structure of the pipe

12Cr1MoV 钢在580 ℃以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05 mm/a;600 ℃时性能开始变差，腐蚀深度为0.13 mm/a［8］。根据氧化速率测定结果，其操作温度是大于600 ℃，可以表明炉管外壁氧化层是经过长期过热形成的。

高温锅炉管在运行过程中同时会受到蒸汽介质作用，在管内壁形成氧化皮，氧化皮的传热热阻较大，阻隔了蒸汽介质与管壁金属的热交换，从而导致管壁金属温度升高，加速了其氧化过程［9］。

1.4 沉淀物能谱分析

对管道变形区内壁附着物进行微观观察，由金相显微镜观察结果表明管道内表面附着物厚度约371.55 μm。附着物明显由两层组成。内层可以明显观察到该层附着物最贴近基体，存在较多的小孔洞，厚度约为212.66 μm;最外的一层附着物存在明显的大小不一的孔洞，结构相对疏松，厚度约为147.36 μm(图3)。

对管道内壁的附着物进行能谱分析，结果见表1。可以看到:管道内壁的内层附着物以O、Fe为主，故可以判断内层附着物是由Fe 的氧化物为主，并夹杂有磷酸盐或者硅酸盐;外层附着物同样是以O、Fe 为主，与内层附着物相比，出现了Al、Mo 等元素。根据附着物的能谱分析结果表明，附着物的可能由铁的氧化物、磷酸盐、硅酸盐、钼酸盐等物质组成，这是由于锅炉水的阻垢剂或者缓蚀剂在管道内壁过热而在管壁上沉积。

图3 管道内壁显微观察Fig.3 Microstructures of the pipe surface

表1 化学成分分析结果(质量分数/%)Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction/%)

2 分析与讨论

炉管在高温运行中，会发生高温氧化过程，在炉管内外壁生成较厚的氧化层，该氧化层的存在导致了蒸汽流量变小从而导致管道长期过热运行。炉管长期在高温环境下工作时候，碳化物相分布会发生变化。随着碳化物的粗化和相结构的改变，使炉管塑性下降，晶界脆性明显增加［10］。

同时炉管在弯管过程中，钢管经历了外侧管壁减薄，内壁管壁增厚以及由圆变成椭圆的过程。在弯头侧面以及靠近弯管的内侧处钢管内壁的环向应力为轴向开裂提供了外因［11-12］。应力作用下过热的金属材料随着时间的推移而缓慢地产生不能恢复的塑性变形，并在炉管内壁产生蠕变裂纹，当裂纹扩展到一定程度时候，导致管道爆裂。

3 建议

为了能使设备长周期安全运行，建议如下:

1)建议严格控制炉管温度，及时对管外壁进行吹灰，避免管壁局部过热而降低使用寿命。

2)严格控制水质和蒸汽流量，避免内壁的沉淀物生成。

4 结论

1)材质为12Cr1MoV 的燃油锅炉屏式过热器长期在高于600 ℃下运行，导致过热管出现了蠕变现象。

2)随着运行时间的增加，材料珠光体组织发生了变化，大量的碳化物沿晶界析出，并聚集粗化。

3)锅炉水的阻垢剂或者缓蚀剂在管道内壁因过热而在管壁上沉积，形成约371.55 μm 厚度的氧化层。

［1］张而耕，童遂放，王琼琦，等.12Cr1MoV 珠光体耐热钢长期服役中碳化物的变化及对性能的影响［J］.机械工程材料，2009，33(9):28-32.

［2］Webster G A，Ainsworth R A.High temperature component life assessment［M］.London:Chapman ＆ Hall，1994:34-38.

［3］钞晨，杨振国.在役12Cr1MoV 钢管材的性能劣化及其损伤机制［J］.复旦学报:自然科学版，2003，42(1):1-6.

［4］赵迪，丁克勤，尚新春.金属材料高温疲劳-蠕变寿命预测方法研究进展［J］.中国安全科学学报，2008，18(5):49-53.

［5］许小平，周飞霓.12Cr1MoVG 过热器管开裂行为分析与控制［J］.材料保护，2008，41(11):46-48.

［6］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 773—2001 火电厂用12Cr1MoV 钢球化评级标准［S］.北京:北京中国电力出版社，2002.

［7］吴连生.失效分析技术及其应用第十讲蠕变断裂失效分析［J］.理化检验:物理分册，1996，32(4):59-62.

［8］王增友.高压蒸汽管12Gr1MoV 钢的热处理工艺探讨［C］.江苏省机械工程学会第六次会员代表大会论文集，2002:21-24.

［9］寇莉莉，王志武，艾永平.12Cr1MoV 低合金耐热钢氧化膜结构及形成机理研究［J］.湖南电力，2008，28(3):17-20.

［10］Thomson R C，Bhadeshia H K D H.Carbide precipitation in12Cr1MoV power plant steel［J］.Metallurgical Transactions A，1992，23 (4):1171-1179.

［11］尤晋，王志武，孙艳秋.12Cr1MoV 钢长期运行过程中组织与合金元素的变化研究［J］.湖南电力，2006，26(2):16-18.

［12］黄鑫，丁克勤，赵军.电站锅炉过热器管失效规律研究［J］.失效分析与预防，2012，7(4):217-220.