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过热管失效分析.pdf

来源：花匠小妙招时间：2025-12-13 08:38

2016年第1期
现代治金
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过热管失效分析
(伊朗)A. Movahedi-Rad
摘要:过热管在燃油锅炉里服役二十多年后发生破裂,本文研究了其破裂原因,并作为一起发电厂的典型案例
观察到过热管的破裂区管壁变薄,通过测量发现破裂区附近管壁厚度不一。破裂的最根本原因是管子在服役过程
中产生的烟气侧腐蚀,这归因于低品质燃油,因为在管外壁上检测到燃油的化学成分钠、硫和钒,这种低品质燃油
使过热管基体金属消耗而产生水垢,并且壁厚减薄。除此之外,长时间的过热也是产生破裂的原因之一,管内壁
外壁的碳化物的聚集长大也证明了此点。同时,在高温下服役达二十年有余也使过热管中产生粒状相。最后,
为防止和降低此类失效事故,文章提出了合理化建议
关键词:烟气侧腐蚀;长期过热;尺寸变形;管壁减薄;粒状σ相
18MPa,正常壁厚为5.7mm。
1引言
能源是全世界关注的焦点之一,发电厂和热交
实验过程
换厂是最基本的能源发源地,而过热管是热交换厂
为了找出过热管失效原因,首先,使用光谱仪检
的关键组成部件之一。过热管的最大优势在于测过热管实际化学成分;然后,测量过热管壁厚以评
可以减少燃料消耗,然而,过热管却是脆弱的元件并估工作环境对壁厚的影响。在距离失效区域远点的
且以其特有的失效机制发生断裂,如蠕变、畸变或者部位和失效处取样,分别编为试样A和试样B,试样
在力和环境的共同作用下导致失效?。据报道,全经抛光、甘油酸盐溶液腐蚀后采用光学显微镜和扫
世界范围内,过热管的失效事故最多,因此,找出描电镜(SEM)观察其显微组织,同时,截取过热管
并改进失效产生的事故原因变得尤为重要。
纵向面,使用电化学腐蚀法研究是否存在相,使
文献上有很多关于过热管失效的研究报道,用X-射线能谱仪(EDS)进行微区分析。除此之
Chandra等人4研究了液体循环流动锅炉内材质为外,还分别对管子横截面的内壁、外壁以及远离破裂
2.25Cr-1Mo碳钢过热管的烟气侧腐蚀;有文献研区域的纵截面心部做了显微硬度测试。
究了由水蒸气氧化腐蚀产生的管壁表面缺陷对过热
管的影响?,得出带有表面缺陷的过热管通常用在
箭头A
化石火电厂;Jone3也研究了因管内部高压产生的
过热管螞变失效事故; Psyllaki等人?研究了蠕变失
效过热管的治金成分,结果发现部分管子在高温作
箭头B
用下发生治金成分变化从而产生局部材料缺陷导致
的失效;部分学者使用有限元(FEM)模拟过热管的
(b)
断裂失效机制;还有使用实验手段、宏观观察和
治金检測的方法对过热管失效原因分析进行讨论的
报道。由此可见,过热管的失效机制已经成为
个迫切需要被完全评估和解决的问题。
本文对发电厂燃油锅炉的无缝过热管的失效原
因进行了综合检测和分析,考虑所有可能的影响因
素,并且提出了改进措施。过热管材质为奥氏体不
图1(a)受委托的破裂过热管和(b)外壁白色
锈钢,连续耐热温度为538℃,承受的平均蒸汽压为
沉淀物
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T=376m
T=4. 11 mm
Ts4. 54 mm
T a4, 66 mm
T R5,35 mm
T=5.24mm
T=5.20
331mm3.28mm3.31mms.3smm399mm3.52mm34smm3,47mm3.56mms54mm3.61mm3.54mm3.56mm3.60
1.20mm
o?00
4.33 mm 4.46 mm 4.47 mm 4.57mm 4.64 mm 4.65 mm 4
4.74mm4.75mm4.8omm4.70mm4.68mnm4.69mm4,7dmm
T=2
(c)
T*4.33mm O
1乙hm的
T: 5, N mm to
O T374mm
14的mQ
o m
Yx 7? m
r字m
(a)远离失效区域的横截面;(b)远离失效区域的纵截面;(c)失效区域
图2过热管壁厚测量结果
截面和纵截面的壁厚,结果如图2(a)所示,管子横
3结果和讨论
截面壁厚减薄程度不一致,同时,纵截面管壁厚测试
3.1宏观观察
结果如图2(b)所示,壁厚减薄程度也不一致;其次,
从图1(a)可以看出,过热管在破裂位置发生过如图2(c)所示为破裂区域管壁厚度测量结果,由于
膨胀和塑性变形;图1(b)中可以看到管外壁有一层管子膨胀和壁厚的急剧减薄,形成了如图所示的破
白色水垢物。图2为三段不同区域的过热管管壁厚裂。
度测试结果,首先,其中一块管子是选自远离破裂的3.2化学成分和微观检测
区域,如图1(a)中箭头A所指区域,分别测试其横
使用光谱仪对破裂过热管的化学成分进行检
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测。表1为检測结果,化学成分符合美标ASTM炉管,过热管和热交换管。
A213TP347H级的要求,涵盖无缝奧氏体不锈钢锅
表1过热管化学成分
C
Si
P
Fe
ASTM A213TP347H级
3.10
2,00
0.045
0.030
19.0
13.0
l.10
剩余
实际化学成分
0.04
≤
≤
17.0
9.0
&XC
0.06
0.045
1.84
0.012
0.006
17.1
10.4
0.7
剩余
10u
图3远离失效区域过热管管壁心部金相照片
内的弥散细小的析出物M2C。碳化物,这些都是奥
氏体不锈钢特有的相。但是,进一步的检测还发现
晶界上存在另外两种相,使用扫描电镜(SEM)观察
横截面管壁心部组织形貌并且进行能谱(EDS)分
析,结果分别如图4和图5所示,检测到晶界上有少
量的碳化铌(箭头A所示)和铬的富集物(箭头B所
示)析出。为了验证组织中是否有G相析出,截取
纵向面并磨抛、电化学腐蚀后,采用扫描电镜及其能
谱仪进行检测,扫描电镜(SEM)照片及能谱分析
(EDS)分别如图6和图7所示,检测到σ相析出,文
图4横截面管壁心部扫描电镜照片
献中已有此类o相析出的报道?。根据能谱分析,
o相的化学成分接近FeCr,是o相的特有化学组成
取两块金相试样(试样A和试样B)进行显微。成分。据报道"、。相是在工作温度、工作时间和
组织检测,A为远离失效部位的金相试样,B为在材质的共同作用下产生的,相的形成温度范围随
失效部位取的金相试样,经过腐蚀后,金相显微镜下材质化学成分的不同而不同,但是,通常情况下,它
高倍观察管壁心部的显微组织如图3所示两张金相的形成温度一般是从565℃到980℃
照片。组织为带有李晶的奥氏体和分布在晶界及晶