某新建電廠1號鍋爐配300 MW汽輪發電機組，為亞臨界壓力帶一次中間再熱自然循環汽包鍋爐。采用平衡通風中速磨正壓直吹式送粉系統。燃料為煙煤，鍋爐以最大連續負荷(MCR)丁況為設計參數，最大連續蒸發量1 025 t/h，過熱器、再熱器蒸汽出口溫度為541℃，給水溫度280℃，富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機、秸稈壓塊機壓制的生物質顆粒燃料。
    1號鍋爐本體安裝完畢后進行了水壓試驗（1.5倍工作壓力，即29.745 MPa）。水壓試驗進行過程中，當壓力升至約20 MPa時，尋檢人員聽到爐內有異常聲音，檢查發現鍋爐前包墻水冷壁變徑管有2根發生爆裂，兩處爆口形貌特征基本相同，爆口均在小口徑側，呈縱向分布，1號爆口示意圖見圖1。爆口處小口徑管規格為∮42 mmx5.5 mm,大口徑管規格為∮5.1mmx6.5 mm，材質均為20鋼，包墻設計壓力19.2 MPa，自然循環。
1、分析方法
    首先對爆口形貌進行宏觀觀察，再用SMZ-10體視顯微鏡對斷面進行低倍觀察分析，用NEOPHOT-32臥式金相顯微鏡分析管子的微觀組織，在WE-10萬能試驗機上進行常溫力學性能試驗，并用JSM-840掃描電子顯微鏡對斷口進行了分析，另外還進行了化學成分、壓扁和顯微硬度試驗分析，
2、試驗與分析
2.1宏觀觀察
    宏觀觀察發現：裂紋位于水冷壁管的變徑處和細管焊縫之間，沿鋼管軸線向粗細兩側延伸，裂紋長約150 mm，內表面裂紋較外表面裂紋略長些，說明裂紋可能是由內向外擴展。
    斷面清洗干凈后，用SMZ-10體視顯微鏡對斷面進行低倍觀察，低倍下絕大部分斷面呈結晶狀，斷裂面上靠近變徑管內側有一長約20 mm的窄帶，表面附有蘭色及紅色氧化物，從裂紋的擴展方向來看，水壓試驗過程中，裂紋正是由此處開始向外快速擴展，最終造成水冷壁管子爆裂。
2.2掃描電鏡斷口分析
    用JSM-840掃描電鏡對低倍顯微鏡下觀察到的附有氧化層的窄帶進行觀察分析。該窄帶位于斷裂面靠近變徑管內側處，長約20 mm左右，寬約0.45mm，窄帶表面有氧化層，此氧化層處即為起裂源，起裂源區形貌見圖2(a)所示。
起裂源區氧化層形貌見圖2(b)所示。起裂源區有氧化層存在，而氧化層的形成需要時間，所以氧化層的存在表明起裂源區存在有原始缺陷，且可能是某種侵入性缺陷，此內容在金相組織觀察中予以論述。對圖中氧化層作能譜分析，證明為氧化鐵產物。
    觀察整個斷口，在起裂源的前沿有約0.4 mm的塑性變形區，見圖3(a)；而整個快速擴展區則為純解理開裂，為脆性斷裂，見圖3(b)，證明在當時載荷條件下，管子材料表現出很大的脆性。
    為了便于比較，在裂紋擴展前沿制作了人工斷口，兩種斷口交界處微觀形貌見圖4。可以看出，在不同的載荷條件下，斷面快速擴展區f照片左側）和人工斷口區（照片右側）的斷裂方式不同，原斷口是在管子存在原始缺陷、加載速度較快的情況下造成的，故裂紋快速擴展區表現為脆性解理開裂，而人工斷口區則體現出韌性開裂的特征。
2.3顯微組織分析
    從斷裂的前包墻水冷壁不同部位（包括粗管∮51mmx6.5 mm和細管∮42mmx5.5mm）截取縱向試樣，觀察其顯微組織，見圖5所示，水冷壁的金相組織為鐵素體十珠光體，部分鐵素體呈帶狀、彎曲狀分布，帶狀組織級別最高為B系列2級。該種組織形態與水冷壁管受外力作用產生塑性變形，與內部的晶粒形態發生變化有關，受拉應力時，晶粒被拉長，帶狀組織使管子在性能上表現出各向異性。
    另外，從斷裂的水冷壁管變徑處截取橫向金相試樣，在金相顯微鏡下觀察。此處水冷壁管的顯微組織為鐵素體+珠光體，在變徑管內表面主裂紋的兩側發現有多條與主裂紋大致平行的小裂紋，見圖6。這些小裂紋長短不一，裂紋內有氧化夾雜層，即圖2(b)所示類氧化夾雜物。因此可以認為：該管子存在有原始小裂紋，在小裂紋內壁形成氧化物，在水壓試驗過程中，此處即為裂紋源，隨著裂紋的迅速擴張，達到臨界尺寸后，管子即破裂。
2.4常溫力學性能試驗
    為了對比分析失效原因，在失效管樣變徑段與焊縫之間區域（鋼管規格為∮42 mmx5.5mm）和未爆管的相同變徑位置上截取縱向拉伸試樣進行常溫拉伸試驗。同時為了復檢前包墻水冷壁管原材料（鋼管規格為45mmx6.5mm）的力學性能，在原始管段上截取縱向拉伸試樣，進行常溫拉伸試驗。試驗結果見表1。
    由表1可見，對規格為∮42 mmx5.5 mm的試樣，除未爆管一3試樣以外，其它試樣的抗拉強度試驗值均超出GB5310-95《高壓鍋爐用無縫鋼管》中規定的上限值，伸長率則是GB5310-95《高壓鍋爐用無縫鋼管》中規定伸長率值的～半。所有試樣的屈服強度試驗值均超出標準的上限值。
    規格為Ø51 mmx6.5 mm的原始管試樣抗拉強度、屈服強度及伸長率符合GB5310-95《高壓鍋爐用無縫鋼管》中有關力學性能的要求。
    屈強比表示了材料均勻變形的能力，由塑性變形至最后斷裂的形變容量，其值越大，材料的承載能力、利用率越高，但材料在斷裂前塑性“儲備”太少，對應力集中敏感，耐疲勞抗力下降，安全可靠性下降。尤其是構件在制造過程中產生加工硬化、裂紋和殘余應力時，對安全性危害更大。一般碳素鋼屈強比為0.6～0.65。由表1可見，大部分試樣的屈強比偏高。
    鋼管材料在發生塑性變形時，隨著滑移的進行，沿滑移面附近的晶格發生歪曲和畸變，滑移區的晶粒被破碎，造成了金屬進一步塑性變形的困難，使得鋼管材料的硬度升高，強度增加，屈強比大幅度提高，導致金屬材料的塑性與韌性急劇下降，材料脆性急劇增大。若材料內部存在有某種缺陷，則在一定外力作用下，內部缺陷極易失穩，從而引起開裂。
2.5其它試驗
    進行了壓扁、化學成分及硬度試驗。壓扁和化學成
分試驗均符合要求。
    在顯微組織分析試樣上進行了硬度試驗，規格為∮42 mmx5.5 mm試驗管樣的硬度值在220～235HB范圍區間，而規格為4.5mmx6.5 mm試驗管樣的顯微硬度值在130～170HB范圍區間。可見，顯微硬度試驗反映的信息與常溫拉伸試驗結果一致。
3、結論
    某電廠1號鍋爐水壓試驗時前包墻水冷壁變徑爆管屬于脆性破裂，爆管的原因是：該段鋼管力學性能不符合要求，強度過高，韌性太差，屈強比偏高；變徑管內表面存在微小裂紋，是爆管產生的根源；顯微組織的不均勻，導致了鋼管性能上的各項異性。
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