锅炉碳钢蒸汽管断裂失效原因分析

陈华豪，莫才颂，陈奕均

(广东石油化工学院 机电工程学院，广东 茂名 525000)

1 管线断裂故障

某石化企业的高压蒸汽炉出口主蒸汽管突然发生了爆裂，现场看到该管段在流量计前后约6m的一段管断裂。

从裂口及飞行方向判断，管线是从下部焊缝首先断开，因锅炉内仍有2.5MPa压力，高压蒸汽从下部断口喷出，蒸汽产生巨大的反冲力使管线扭转，在极大的扭力作用下管线被快速扭断。

查阅该锅炉各项参数和历史趋势图，停炉后的锅炉蒸汽温度、压力下降速度较平稳，锅炉出口二次阀前疏水阀打开且畅通，疏水正常进行，汽包水位正常，未发现汽包满水而造成有水进入过热器管的迹象。

2 断口形态

断裂管段的下部裂口离焊口约3mm，断口平齐与管轴垂直，断面金属表面被一层黑色垢物覆盖。磨开后金属光亮，圆周外表有人字形张开裂口，属典型的脆性断裂现象。上部裂口离焊口约3mm，断面金属为原金属色，断口波浪状，是扭断所致。断口外观如图1、图2所示。

图1 蒸汽管断管1#断口外观图

图2 蒸汽管断管2#断口外观图

3 蒸汽管爆裂失效原因分析

3.1 蒸汽管技术参数

主蒸汽管和锅炉已投用10年。锅炉出口主蒸汽管为20g锅炉钢管，规格为φ219×9.5mm,主要技术参数如表1。

表1 主蒸汽管技术参数

3.2 理化检验

a) 壁厚检测

对断口边沿进行厚度检测，数据见表2。

表2 断管断口测厚数据表 (单位：mm)

b) 硬度检测

对断管不同部位进行硬度检测，数据见表3。

表3 断管硬度检测数据表 (单位：HB)

c) 金相组织分析

对断管两端取样进行材料组织分析，见图3-图7。从金相图上可以看出，母材组织为铁素体+珠光体，其中断口面珠光体有双晶界现象，碳化物呈絮团状，珠光体严重球化，并沿铁素体晶界和晶内析出，热影响区的母材也出现比较明显的珠光体球化现象，焊缝组织基本正常[1]。

图3 锅炉蒸汽出口管断管1#断口平面金相图 400×

图4 锅炉蒸汽出口管断管1#断口焊缝100×

图5 锅炉蒸汽出口管断管1#断口热影响区400×

图6 锅炉蒸汽出口管断管1#断口近缝母材400×

图7 锅炉蒸汽出口管断管2#断口远缝母材400×

d) 射线探伤检测

事故前曾经对断口旁边的焊缝进行一次射线探伤，无发现大的缺陷，安全评级为I级。

e) 材质成分分析

对断管进行取样材质分析，见表4。对照材质标准，碳含量偏高。

表4 断管材质成分分析表

3.3 强度校核

核算主蒸汽管测厚平均厚度为8.95mm，最小值为7.70mm，停工时实际压力为2.5MPa，管壁承受的拉应力为σ=38.89MPa，查450℃操作条件下，20g碳钢的许用应力为61MPa，显然σ<[σ]，理论上不会发生弹性断裂。

3.4 高温力学性能

碳钢在350℃～400℃以上就会产生蠕变，温度越高，蠕变就越加剧。实际操作温度450℃，蒸汽管将会产生蠕变现象。从材料的金相组织分析看，焊缝热影响区和断口部位(靠近焊缝)组织老化比较严重，珠光体球化明显，强度相应降低。从钢材成分分析，钢材碳含量超标也会加重珠光体球化趋势[2-3]。

根据应力计算结果，管壁厚度减少，材料承受的应力相应增大。由于管线使用时间比较长，管内壁受高速气流的冲刷和高温蠕变产生塑性变形，管壁减薄量较多。尤其断管焊缝部位有一个焊接垫圈，垫圈后部形成一个台阶，蒸汽在运行中容易在台阶后部形成涡流，加速冲刷减薄，该部位也由原来设计的10mm，减薄至最小7.7mm，管壁的抗拉应力也较其他部位大幅增大，同时从硬度分布看，焊缝硬度比母材高1/2，断口处硬度比母材高1/3，热影响区局部应力大，造成该部位首先断裂。

4 改进措施

1) 材质升级

20#碳钢管使用温度为-20℃～425℃，20g碳钢管使用温度为-20℃～450℃。而操作最高温度为450℃，选用20#或20g碳钢明显不合适，更换为12CrMo1V等材料[5]。

2) 对锅炉主蒸汽管进行全面的检测检验，对强度进行核算，对设备老化进行评定。

3) 操作应平稳，避免操作压力大幅波动。

减少频繁开停机，可以减少操作的波动和交变应力，延长使用寿命和避免事故。

5 结论与建议

1) 该蒸汽管线长期在高温运行，且高温运行时间较长，材料产生高温蠕变现象，尤其焊缝热影响区组织老化严重，持久强度明显降低，当管件持久强度极限低于所受拉应力时，即造成突然脆性断裂。所以，碳钢蒸汽管受承超长时间的高温蠕变是造成断裂的主要原因。

2) 管线使用时间比较长，管内壁受高速气流的冲刷减薄，焊缝热影响区应力较大是造成该部位首先断裂的重要原因。

3) 超温运行将对管道安全产生隐患，实际生产操作中要采取有效措施控制温度，保证给水流量、水质，加强运行管理，严防超温现象。

[1] 杨德杰. 12Cr1MoV钢非正常组织高温性能的研究[J]. 黑龙江电力，2010(3),202-203.

[2] 王荣，李晋，杨力. 蒸汽管爆裂原因分析[J]. 理化检验一物理分册,2008,44(2),90-93.

[3] 成伟，胡足. 蒸汽答线热损失的测试及分析[J]. 甘肃科技，2010,26(10),63-64.

[4] 陈国华，陈灵杰. 火电厂12Cr1 MoV蒸汽管爆管原因分析[J]. 理化检验一物理分册,2012,48(7)：90-93.

[5] 李玉军，蒋仕良. 硫磺回收装置余热锅炉过热器弯头开裂原因初步分析[J]. 压力容器, 2012, 28(9):52-55.