动力锅炉二级过热管束失效分析.docx

二级过热管束失效分析（罗旭 201220679 动力工程）摘要：本文通过对动力锅炉二级过热管束的失效形式进行分析，得出过热管的失效主要是由异种金属焊接接头高温蠕变、珠光体球化、渗碳和管内结垢等因素联合作用引起的。为防止失效破坏，针对不同的失效原因，提出了相应的改进措施，以保证该动力锅炉二级过热管束不再发生类似问题。关键词：过热管束 异种钢焊接 高温蠕变 珠光体球化 渗碳Failure Analysis of The Secondary Overheating Tube Bundle(Luo Xu 201220679 power engineering)Abstract: In this article, the failure reason of superheated tube bundle in the power boiler is analyzed, and concluded that the failure of a heat pipe is mainly composed of high temperature creep of dissimilar metal welded joint, carburizing, carbon migration and scaling. To prevent failure destruction, the corresponding improvement measures for different failure reason are put forward.Keywords: Overheating Tube Bundle; High Temperature Creep of Dissimilar Steel Welding; Pearlite Spheroidization; Carburizing.一 工程背景某厂一台动力锅炉的二级过热管束低温段为20钢，高温段为12Cr1MoV低合金耐热钢管。低温段20号钢管端部经扩管，高温段12Cr1MoV钢管端部开坡口，两者在等厚度下对接焊接，焊接接头如图1所示。此过热管内部通过热蒸汽，外部采用高温火焰加热，火焰工作温度由966℃降至846℃，过热蒸汽的设计压力为3.82MPa，蒸汽温度由352℃上升至450℃。在3年使用过程中，多根管子接头处均在20钢端部爆管，过热管蠕胀爆裂形态如图2所示。图1 焊接接头接头图 图2 过热管蛹胀图二 失效原因分析2.1 异种金属焊接接头高温蠕变失效2.1.1 失效特征如图2所示，20钢焊接接头处，出现膨胀突起，上方蠕胀爆裂管，下方为蠕胀未爆裂管。2.1.2 失效原因焊接区是一个组织和性能的不均匀区，特别是热影响区，通常是蠕变断裂的薄弱区，其断裂强度（寿命）比基本金属低。而异种钢接头的情况更为复杂，整个接头是一个不均匀体，其中包括化学成分、组织、抗氧化性、热膨胀系数和蠕变断裂强度等都存在巨大差异，正是这些差异使异种钢接头问题变得复杂。蠕变断裂不仅对形状突变非常敏感，对上述一些差异引起的突变同样非常敏感，所以异种钢接头的强度更低，寿命更短。图3是母材、同种钢接头和异种钢接头蠕变断裂曲线的示意图，从图3中可以看出，异种钢接头不仅远低于母材而且也远低于同种钢接头，特别是低应力断裂寿命降低更多，这就是异种钢接头高温长期运行容易失效的原因。[1]由于过热管束低温段采用的是20钢，而高温段采用的12Cr1MoV低合金耐热钢，这两种金属的热膨胀性能存在差异，两种材料的高温性能不匹配造成的蠕变膨胀断裂是管束失效的主要原因。图3 母材1、同种金属和异种金属3焊接接头蠕变断裂曲线比较2.2 珠光体球化2.2.1 失效特征20钢正常的金相组织应为铁素体+珠光体，而在失效破坏的膨胀区，微观显微组织显示珠光体形态已经球化，相当于珠光体球化标准6级，即严重球化，在非胀区金属显微组织显示珠光体也已经球化，球化级别为4级，为中度球化,如图4所示。其次膨胀区爆裂断口粗糙、不平整，具有脆性断裂的破坏特征，如图5所示；非胀管区三个20钢试样金属拉伸测试表明，材料的抗拉伸强度严重下降，低于材料标准的抗拉强度。图4 20钢珠光体球化显微组织 图5 过热管束爆裂爆口2.2.2 失效原因在工作过程中，管内部通过过热蒸汽，外部受高温火焰加热，火焰工作温度由966℃降至846℃，过热蒸汽的设计压力为3.82MPa，蒸汽温度由352℃上升至450℃，属于高温运行。在正常情况下，20号钢中的珠光体时由薄片状的铁素体和渗碳体交互排列而成的，这种片状、表面积较大的处于高能量状态的碳化物在常温下是稳定的。但是在高温和应力的长期作用下，原子扩散速度加快，具有高能量的片状碳化物自行向低能量的球状碳化物转变，并进一步聚