12Cr1MoV锅炉过热器管长期过热开裂原因分析.pdf

第 5 0卷第 8期 2 0 1 4年 4 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vo1 ． 50 N O． 8 Ap r ． 2 01 4 DoI 1 O ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 1 4 ． O 8 ． 0 8 1 1 2 C r l Mo V锅炉过热器管长期过热开裂原因分析 梁秀兰 有移亮 张 峥 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京 1 0 0 1 9 1 1 摘要某厂的 1 2 C r l Mo V锅炉过热器管运行 3 9 8 4 0 h后发生开裂。宏观检测发现有堵管现象，断口呈厚唇状，表面覆盖着氧 化物。采用光学显微镜、x射线衍射、扫描电镜、能谱仪、透射电子显微镜等测试方法对失效管进行检测。研究表明，堵管 物的成分是 Na 3 P O 4 、F e 2 O 3 和 Na F e O 2 ；内壁氧化物在未堵管位置是 F e 3 O4 ，在堵管位置是F e 2 O 3 。断口呈沿晶形貌，有沿晶 界的二次裂纹和晶界孔洞。靠近裂纹和远离裂纹的金相组织相同，原始态的片状珠光体消失，碳化物在晶界聚集长大，组织 发生了严重球化，晶界碳化物是 M2 3 C 6 型碳化物；根据电力行业标准评定材料球化级别为 5级。由球化级别和运行时间估算 壁温，得知过热器管超温运行。靠近裂纹和远离裂纹的试样的硬度值相近，数值较低，约为 1 3 5 HV。1 2 C r 1 Mo V锅炉过热 器管的失效模式是高温蠕变开裂 ，失效主要是由内壁氧化层和堵管物造成的长期过热引起。 关键词高温蠕变开裂；过热器管；1 2 C r l Mo V；长期过热 中图分类号 T K2 2 3 Lo n g t e r m Ov e r he a t i ng Cr a c k i ng Ana l y s i s o f 1 2 Cr l M o V Bo i l e r S u pe r h e a t e r Tu be LI ANG Xi ul a n YOU Yi l i a n g ZHANG Zh e n g S c h o o l o f Me fi a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Be i h a n g Un i v e r s i t y , B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 Ab s t r a c t Af t e r r u n n i n g 3 9 8 4 0 h ， a b o i l e r s u p e r h e a t e r t u b e ma d e b y 1 2 Cr l Mo V s t e e l i n a p l a n t c r a c k e d ． T h e tub e i s b l o c k e d a n d t h e t h i c k l i p - s h a p e f r a c t u r e i s c o v e r e d w i t h o x i d e s ． B y u t i l i z i n g o p t i c a l mi c r o s c o p e O M ， X r a y d i f f r a c t i o n X R D ， s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y S E M ， e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y E DS ， t r a n s mi s s i o n e l e c tr o n mi c r o s c o p y T E M a n d o t h e r me t h o d s t o d e t e c t the tub e ， i t i s f o u n d t h a t the c o mp o s i t i o n s o f b l o c k i n g s u b s t a n c e s a r e Na 3 P O4 ， Fe 2 03 a n d Na Fe O2 ． I n the un b l o c k i n g p o s i t i o n o f the i nn e r wa l l o x i d e i s F e 3 04 ， h o we v e r ,i n t h e b l o c k i n g p o s i t i o n ，i t i s F e 2 03 ．I n t e r m s o f the s h a p e o f the fra c tur e mo r p h o l o gy ,i t i s i n t e r g r a n u l ar,a l o n g wi t h s e c o n d a r y c r a c k s a n d p o r e s i n t h e g r a i n b o un d a r y ． Th e r e s e arc h r e s u l t s i l l u s t r a t e t h a t the me tal l o g r a p h i e mi c r o s t r u c t u r e s i n s a mp l e s o f n e a r c r a c k an d a wa y fro m the c r a c k are the s a me ． Wi th t h e l a me l l a r p e a r l i t e o f t h e i n i t i a l s tat e d i s s o l v e s ， the c a r b i d e s g a t h e r a n d gro w a t t h e g r a i n b o un d a r i e s ． T h e o r g a n i z a t i o n s p h e fifi e s s e r i o u s l y , a n d the c arb i d e i s M2 3 C6 ． Ac c o r d i n g t o the e l e c t r i c p o we r i n d u s t r y s t a n d a r d ， the s p h e r i c a l d e gre e i s i d e n t i fie d a s l e v e l 5 ． By u t i l i z i n g s p h e r o i d i z a t i o n l e v e l a n d r u n - t i me t o e s t i m a t e t h e wa l l t e mp e r a t u r e ． i t c a l l b e k n o w the tub e F U n i n o v e r - t e mp e r a t u r e e n v i r o n me n t ． T 0 b e s p e c i fic ， the h a r d n e s s i n a l l th e s a mp l e s i s a b o u t 1 3 5 H、 ‘wh i c h i s r e l a t i v e l y l O W．I n a l l ， the f a i l u r e mo d e o f s u p e r h e a t e r tub e i s h i g h t e mp e r a t u r e c r e e p c r a c k i n g wh i c h i s c a u s e d b y l o n g - t e rm o v e r h e a t i n g r e s u l t e d f r o m the o x i d e l a y e r a n d the b l o c k i n g s u b s t anc e s ． Ke y wo r d s h i g I l t e mp e r a t u r e c r e e p c r a c k i n g ；s u p e r h e a t e r tub e ；1 2 C r l Mo V；l o n g t e rm o v e r h e a t i n g 0 前言 l 2 C r 1 Mo V 钢是 国内电站锅炉部件广泛采用的 钢种，主要用作蒸汽参数不超过 5 4 0℃的集箱、蒸 汽管道 ，金属壁温不超过 5 8 0℃的过热器、再热器 管及 部分锻件【 J J 。 过热器是蒸汽锅炉重要部件之一， 其内部是高温高压的蒸汽，外部受到高温烟气 的冲 刷，工作环境十分恶劣L 2 J 。材料长期在高温 高压下 2 0 1 3 0 5 0 8收到初稿 ，2 0 1 3 1 0 2 5收到修改稿 运行，材质会出现劣化 ，珠光体球化 、合金元素重 新分配 、碳化物在晶界聚集和长大；同时伴随着组 织性能的下降，其抗拉强度 、蠕变性能、持久强度 会 明显下 降 J 。据 国产大型锅炉机组非计划停运次 数统计 ，由于高温过热器和高温再热器爆管造成的 非 计划 停运 次数 占总非计 划停 运 次数 的 4 0 ％～ 5 0 ％ 】 。发电厂锅炉爆 管事故 已成为 当前威胁发 电 设备稳定运行的突出矛盾 ，而且随着机组服役 时间 的增加 ，这类事故呈逐年上升的趋势 J 。在锅炉爆 管事故 中因过热器爆管造成的事故损失最 。北 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 4月 梁秀兰等1 2 C r l Mo V锅炉过热器管长期过热开裂原因分析 8 5 裂纹 。断 口的沿晶蠕变断裂特征是管子长期过热的 典型微观断口特征 。 2 ． 2 - 3 金相组织讨论 靠近裂纹和远离裂纹试样的组织相同，硬度大 小相近 且数值较低，金相组织明显球化 ，珠光体区 域形态已完全消失， 晶界有明显的碳化物聚集特征， 已达到严重球化程度 5级球化 。 以上 的金相组织特 征是珠光体钢长期过热的典型组织特征 。 2 ． 2 ． 4 由球化级别估算壁温 由扩散控制理论可知 ，球化时间 t 与使用温度 之间有如下关系式【 1 “ J l n t l n B／ T 1 式中， 、 均为材料系数 。 对于 1 2 C r 1 Mo V钢 ，达 5级球化的时间 t 与温 度 的关系⋯ T 3 3 5 0 0 ／ I ln t 2 6 ． 9 4 9 2 l _ 2 7 3 ． 1 5 2 换热管的累计运行时间 t 3 9 8 4 0 h ，算得运行 的平均壁温为 6 1 9℃。换热管刚开始使用时不存在 由内壁氧化层和堵管物造成的过热 ，所 以堵管后的 平均壁温应大于 6 1 9℃，而 1 2 C r l Mo V钢在换热器 中的使用温度应小于 5 8 0℃。可推测，换热管 曾处 于长期过热的运行状态 。超温使原子的扩散能力更 强，材料加剧劣化 ，高温性能下降，从而发生开裂。 基于以上 4点，可确定换热管的失效模式是 由 长期过热引起 的高温蠕变开裂。 2 ． 3开裂原因讨论 换热管开裂原因主要有两方面 。 1 氧化层的影响。氧化层一方面减少管壁厚； 另一方面 ， 氧化层传热能力较差， 导致管温度升高， 从而引起材料组织劣化 。壁厚的减薄和组织 的劣化 均导致管的承载能力下降。 2 堵管物 的影响 。堵管物引起一定程度堵管 时，管内水蒸气流量减少 ， 水蒸气带走 的热量减少 ， 从而引起管壁温度升高 ，管壁温度升高，管的强度 下降，管 的承载能力下降。当堵管物 引起完全堵管 后 ， 管材温度升高至与烟气相当， 管组织劣化加速 。 炉膛进 口温度达 7 0 0℃， 而材料为 1 2 C r l Mo V的换 热管的使用温度是 5 8 0 ℃以下 ， 超温使材料组织发 生劣化，片层状珠光体球化 ，换热管的高温承载性 能下降，最终导致高温过载开裂 。炉膛进 口处的温 度最高，进 口处的换热管最易发生开裂 。 3 结论 1 换热管 的失效模式是 由长期过热引起 的高 温蠕变开裂。 2 氧化层弱 的导热能力和堵管物致使水蒸气 流量减少 ，导致换热管长期过热。 建议控制管 内介质成分，减少氧化物的形成， 减少堵管物 的形成；对于已存在的堵管物，应及时 进行清除，避免堵管。 参考文献 [ 1 ]中华人民共和国国家经济贸易委员会． D L ／ T7 7 3 ． 2 0 0 1 ， 火电厂用 1 2 C r l Mo V钢球化评级标准[ s 】 ．北京 中国电 力 出版社 ，2 0 0 2 ． S t a t e Ec o n o mi c a n d T r a d e Co mmi s s i o n o f t h e p e o p l e ’ S Re p u b l i c o f Ch i n a ． DL／ T 7 7 3 2 0 0 1 ，S p h e r o i d i z a t i o n e v a l u a t i o n s t a n d a r d o f 1 2 Cr l Mo V s t e e l u s e d i n p o we r p l a n [ S ] ． B e r i n g C h i n a P o we r P l a n t P r e s s ， 2 0 0 2 ． [ 2 】李帮．某船用锅炉过热器三维壁温计算及超温爆管研 究[ D] ． 哈尔滨 哈尔滨 工程 大学， 2 0 0 8 ． LI Ba n g ．Th r e e - d i me n s i o n a l c a l c u l a t i o n a b o u t t h e wa l l t e mp e r a t u r e a n d r e s e a r c h o n o v e r t e mp e r a tur e a n d tub e e x p l o s i o n o n t h e s u p e r h e a t e r o f c e r t a i n ma r i n e b o i l e r [ D] ． Harb i n Ha r b i n E n g i n e e rin g Un i v e r s i t y , 2 0 0 8 ． [ 3 ]张磊，夏洪亮．大型电站锅炉耐热材料与焊接[ M】 ．北 京 化 学工业出版社 ，2 0 0 7 ． Z HANG Le i ，XI A Ho n g l i a n g ． He a t - r e s i s t a n t ma t e ria l a n d i t s w e l d i n g i n l arg e p o we r p l a n t s b o i l e r s [ M] ． B e i j i n g Ch e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 7 ． [ 4 】蔡斌．6 7 0 t ／ h锅炉高温过热器超温爆管问题研究[ D】 ． 北京华北电力大学， 2 0 0 6 ． CAI Bi n ．Re s e a r c h o n tub e b u r s t i n g and o v e r h e a t i n g o f the fi n a l s u p e r h e a t e r o n the 6 7 0 t ／ h b o i l e r [ D] ． B e i j i n g ．- No ah C h i n a El e c t r i c P o we r Un i v e r s i ty ，2 0 0 6 ． [ 5 】杜国兰．电厂锅炉过热器超温爆管的有效防控措施[ J ] ． 民营科技， 2 0 1 1 1 2 2 2 8 ． DU Gu o l a n ． T h e e ff e c t i v e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l me a s ure s o f o v e r h e a t S u p e r h e a t e r e x p l o d e d i n p o we r p l a n t b o i l e r f J ] ． P r i v a t e T e c h n o l o g y , 2 0 1 1 1 2 2 2 8 ． 【 6 】吴磊．1 0 2 5 t ／ h锅炉高温过热器爆管原因分析与寿命预 测[ D】 ．武汉武汉大学， 2 0 0 4 ． 、 U Le i ． Re s e a r c h f o r e c a s t the b o i l e r tub e b u r s t i n g i n Y ang - L u o p o we r p l ant [ D] ． Wu h a n Wu h a n Un i v e r s i t y ， 2 0 0 4 ． [ 7 ] S O UD AB E H A N， J O HN W H E A ri s k a p p r o a c h t o the ma n a g e me n t o f b o i l e r tub e t h i n n i n g [ J ] ． N u c l e a r E n g i n e e rin g a n d De s i g n ， 2 0 0 6 ， 2 3 6 4 0 5 - 4 1 4 ． [ 8 ]R AHMA N M M， P U R B O L A KS O NO J ， AH MAD J ． R o o t c a u s e f a i l ure a n a l y s i s o f a d i v i s i o n wa l l s u p e r h e a t e r tub e o f a c o a l - fi r e d p o w e r s t a t i o n [ J ] ．E n g i n e e ri n g F a i l ure 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 5 0卷第 8期 [ 9 ] [ 1 0 ] 【 l 2 】 【 1 3 】 An a l y s i s ， 2 0 1 0 ， 1 7 1 4 9 0 1 4 9 5 ． J ONES D R H．Cr e e p f a i l u r e s o f o v e r h e a t e d b o i l e r ， s u p e r h e a t e r a n d r e f o r me r t u b e s [ J ] ． E n g i n e e r i n g F a i l u r e An a l y s i s ， 2 0 0 4 ， 1 1 8 7 3 8 9 3 ． P UR BOLAKS ONO J ，AHMAD J ，BE NG L C，e t a 1 ． F a i l ur e a n a l y s i s o n a p r i ma r y s u p e r h e a t e r t u b e o f a p o we r p l a n t [ J ] ． E n g i n e e r i n g F a i l ure A n a l y s i s ， 2 0 1 0 ， 1 1 1 5 8 1 6 7 ． 杨淑红，郭福祥．电站锅炉过热器的失效分析与寿命 评估[ J ] ，电力学报，2 0 1 0 ， 2 5 3 2 3 5 2 3 7 ． YANG S h u h o n g， GUO F u x i a n g ． Th ei l ure a n a l y s i s a n d l i f e a s s e s s me n t o f s u p e r h e a t e r i n p o we r p l a n t b o i l e r [ J ] ． J o u r n a l o f E l e c t r i c P o w e r ，2 0 1 0 ， 2 5 3 2 3 5 2 3 7 ． 彭勇，田青超，陈家光．1 2 C r l Mo V 锅炉管短期爆裂分 析[ J ] ． 物理测试 ，2 0 0 5 ， 2 3 3 5 3 5 5 ． P E NG Y o n g， T I A N Q i n g c h a o， C H E N J i a g u a n g ． E p h e me r a l c r a c k i n g a n a l y s i s o f 1 2 C r l Mo V b o i l e r tub e [ J ] ． P h y s i c s E x a mi n i o n a n d T e s t i n g ，2 0 0 5 ， 2 3 3 5 3 5 5 ． 张而耕，童遂放，王琼琦，等． 1 2 C r l Mo V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 ，2 0 0 9 ， 3 3 9 2 8 ． 3 2 ． Z H AN G E r g e n g ， T O NG S u i f a n g ， WA N G Qi o n g q i ， e t a 1 ． Ca r b i d e t r a n s i t i o n o f 1 2 C r l M o V P e a r l i t e h e a t r e s i s t i n g S t e e l i n l o n g t e r m s e r v i c e a n d i t s i n flu e n c e o n ma t e r i a l p e r f o rm anc e [ J ] ．Ma t e r i a l s f o r Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 3 3 9 1 2 8 ． 3 2 ． 【 l 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 】 钞晨， 杨振国．在役 1 2 C r l Mo V钢管材的性能劣化及其 损伤机S O [ J ] ．复旦学报，2 0 0 3 ， 4 2 1 1 - 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ma i l x i u l a n l i a n g 1 6 3 ． t o m 张峥 通信作者 ，男，1 9 6 5年出生，教授，主要研究方向为材料的失效 分析预测预防。先后承担多个重大事故的失效原因分析诊断工作 ，获得 部级科技进步一等奖 2项、二等奖 1 项、三等奖 5项。 E - ma i l z h a n g z h b u a a ． e d u ．c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m