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1、第14卷第2期扬州大学学报(自然科学版)Vol.14No.22011年5月JournalofYangzhouUniversity(NaturalScienceEdition)May201115CrMo高温过热器弯管的失效分析*程宏辉,曹磊,靳惠明,黄新,秦康生(扬州大学机械工程学院,江苏扬州225127)摘要:分析了75t/h高压循环流化床锅炉用15CrMo高温过热器弯管在试运行近100h下产生裂纹的原因.结果表明,由于炉水中氯离子含量超标以及停炉期间未进行保护,导致大量空气进入炉体,在高温、弯管自身高残余应力等综合作用下产生应力腐蚀,这是导致过热器弯管
2、失效的主要原因.关键词:弯管;应力腐蚀;裂纹中图分类号:TG1729文献标志码:A文章编号:1007-824X(2011)02-0051-04[13][45][67][89]失效分析是一门综合性的技术,涉及机械工业、电力工业、石油化工、航空航天等领域,其目的是找出失效的原因,提出解决措施,以避免同类事故的再次发生.电站锅炉过热器管长期在高温、高压下运行,其失效机理包括长期过热、短期过热、磨损、气侧氧腐蚀、应力腐蚀裂纹、热疲劳、[10]高温腐蚀、异种金属焊接、质量控制失误等.本研究利用显微组织、力学性能和扫描电镜等材料检测方法,分析了某高
3、压循环流化床锅炉过热器管在使用很短时间内发生失效的原因,并且给出解决措施,可为电厂的生产管理以及其他过热器爆管失效分析提供参考.1事故过程概述某热电公司2009年2月安装了高压循环流化床锅炉,其额定蒸发量为75t/h,额定蒸汽压力为382MPa,额定蒸汽温度为450.本体安装完成后曾进行过水压试验,没有发现异常,但未直接投入使用,有300d处于停炉状态.直到2009年图1高温过热器弯管及其裂纹12月才开始运行,最初Fig.1Superheaterbenttubesandcrack使用期间未发现气流不畅和堵塞现象;但工作不到5d,就发现有大量高温过热器
4、弯管处发生泄漏,裂纹位于弯管侧面,并沿轴向开裂(见图1).该锅炉的高温过热器管采用直径为38mm,壁厚为4mm的15CrMo无缝钢管制成,其弯曲半径为80mm.2理化分析21宏观形貌观察弯管外表面良好,无明显氧化腐蚀现象,弯管开裂处管径没有胀粗现象.采用20倍带灯放大镜观收稿日期:2010-09-08基金项目:江苏省高校自然科学基金资助项目(10KJB430017)*联系人,Email:hhchengnimte@gmail.com52扬州大学学报(自然科学版)第14卷察裂纹断口,未发现韧性受力向外扩展痕迹及倾向,属脆性断裂特征,裂纹处有红棕色的锈蚀痕迹
5、.弯管内壁表面为黑色氧化膜层,同时存在较多的腐蚀产物.从弯管裂纹处取横截面试样,经过研磨抛光,使用w(HNO3)=30%的硝酸水溶液腐蚀,充分腐蚀后肉眼可看到多道微裂纹分布于弯管断裂处.从裂纹的形态和走向可明显发现这些微裂纹均起源于弯管的内壁,然后沿径向向外壁扩展.将该部位沿轴向对剖,经w(HCl)=206%的盐酸水溶液热蚀后,发现在弯管的侧面、钢管的内壁存在拉拔过程中产生的拉道以及大量的腐蚀坑.22材料成分分析通过角磨机打磨除去管材表面的高温防腐漆,然后采用牛津ARCMET8000型便携式全谱直读光谱仪进行全元素分析,得出材料成分的质量分数(w)分别
6、为C:0141,Mn:0446,Si:0248,Cr:1060,Mo:0443,P:0027,S:0028;而通过钻孔取样获得试样的化学分析结果(w)分别为C:0121,Mn:0583,Si:0267,Cr:0953,Mo:0412,P:0014,S:0021.由此判断钢管材质[11]6成分符合GB53102008关于15CrMo的成分要求,因此排除错用钢材的可能性.23硬度检查分别从直管段和弯管段取样研磨抛光,然后在上海集敏MVC1000D1型硬度测试仪上进行显微维氏硬度试验,试验载荷为196N(02kgf),保持时间
7、为10s.结果表明:直管段显微维氏硬度平均值为20093,弯管段显微维氏硬度平均值为24285.钢管弯曲过程中,弯管段发生较强塑性变形,产生变形硬化,导致其硬度明显高于直管段.24力学性能从钢管的直管段分别取3个样品在长春试验机研究所DNS100电子万能试验机上进行拉伸试[11]11验.拉伸试验结果见表1,表明管材符合GB5310-2008规定要求:15CrMo钢管的抗拉强度为440~640MPa,屈服强度为235MPa,断后伸长率为21%.表1拉伸试验结果25金相组织分析Tab.1Resultsoftensiletest分别在钢管的直管段和弯
8、管靠近裂纹部位制取金相抗拉强度/屈服强
