图1 典型爆口的宏观形貌

典型爆管的爆口宏观形貌如图1所示，可见爆口呈现出典型的瞬时过热开裂特征，未见长时超温蠕变龟裂特征，主要表现为：主爆口张开较大，边缘薄，内､外壁无细小的微裂纹，爆口附近管段发生严重胀粗。此外，相邻管子外壁结渣严重，渣为浅红褐色，较为坚硬，推测可能为铁的氧化物。

表1 爆管和备管化学成分(质量分数)%

由表1可见其化学成分均符合ASME SA213/SA213M-2007«锅炉､过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子技术条件»对SA213-T22低合金耐热钢的技术要求。

对高温过热器备管､相邻管和爆管进行室温､高温拉伸试验和布氏､维氏硬度试验，结果见表2和表3。

表2 室温拉伸试验及硬度测试结果%

由表2可知，备管､相邻管､爆管的力学性能均符合ASME SA213/SA213M-2007技术要求；相邻管的抗拉强度下降为备管的93%，屈服强度下降为备管的72%，这表明相邻管经2×104h运行后，发生了明显的材料老化现象；爆管的抗拉强度上升为备管的116%，屈服强度上升为备管的109%，布氏硬度上升为备管的117%，但断后伸长率却降至标准临界值，这表明爆管发生了过热或过烧现象，产生相变而导致材料变脆。

表3 高温拉伸试验结果%

由表3可知，高温拉伸试验结果与室温拉伸试验结果显示出相同的变化规律，即：与备管相比，相邻管高温抗拉强度和屈服强度下降明显，表明相邻管经2×104h运行后，力学性能下降；爆管的高温抗拉强度和屈服强度升高，这是由爆管材料发生异常相变所致。

图2 管子的显微组织形貌

在抛光状态下对金相试样进行夹杂物评定，夹杂物评定标准为GB/T 10561-2005«钢中非金属夹杂物含量测定——标准评级图显微检验法»。经评定，备管的脆性夹杂物均小于1级，塑性夹杂物小于0.5级。

由图2可知，备管的显微组织为铁素体+贝氏体，晶粒度7~8级；相邻管的显微组织为铁素体+碳化物，并可见晶内碳化物弥散分布，晶界碳化物为链状排列，仅可见少量贝氏体痕迹，其显微组织已处于较严重老化阶段，晶粒度7~8级；爆管的显微组织为白亮块状铁素体+ 粒状贝氏体，晶粒度7~8级。此外，对爆管进行了内､外壁微观观察，均未发现平行于主爆口的次生蠕变裂纹，亦无蠕变孔洞，排除了该管子蠕变胀粗开裂的可能性。

相邻管､爆管的金相检验结果与力学性能试验结果互相印证，主要表现为：①相邻管显微组织老化现象显著，合金元素从基体中析出，与碳形成碳化物，大大降低了合金的固溶强化作用，宏观上表现为材料强度与硬度的降低；②管子发生爆管时，由于管内蒸汽快速泄漏造成管壁金属温度急剧升高(烟气加热)，冷却时发生相变，宏观上表现为抗拉强度和硬度的升高，但断后伸长率降低至标准临界值。

对爆管､相邻管内壁(蒸汽侧)氧化层的微观形貌进行分析，并测量内壁氧化层厚度，如图3所示。可见相邻管内壁蒸汽侧氧化层为典型的多层结构，爆管､相邻管的氧化层厚度分别为0.48mm和0.40mm。

图3 爆管内壁氧化层微观形貌

使用EDAX DX-4型X射线能量分散谱仪对爆管的内､外壁氧化层和下弯头处管内沉积物进行相结构分析。结果表明：①爆管内壁氧化层为铁､铬､钼的氧化物，但并不是均匀的，分层结构中合金元素铬､钼有明显的梯度变化，外层的均匀层和疏松层则均为单一铁的氧化物；②弯头内的沉积物形貌为黑灰色均匀薄片，其相结构中FeFe2O4(FeFe2O4为Fe2+和Fe2+氧化物的混合体)占54.2%，Fe2O3占45.8%，是爆管内壁铁的氧化物脱落沉积形成的。

高温过热器管子的内壁氧化层为典型的多层膜结构，合金元素铬､钼在各层中均有分布，但各层中的含量有明显的高低差异。针对高温过热器管内壁氧化层剥落机理的研究表明：氧化膜在开始时形成速率很快，一旦形成后，氧化速率便会下降，与时间呈抛物线关系。但在超温或温度､压力波动条件下，金属表面的双层膜结构就会变成多层膜结构，这时氧化速率与时间之间变成直线关系，氧化层的剥离通常发生在多层结构之间。爆管事故中过热器管下弯头的沉积物即为管子内壁氧化层剥落产物。

FeO为金属不足型半导体氧化物，低温下不形成，在高温的特定温度区间可稳定存在。对于纯铁，FeO存在温度为570~575 ℃，对于低碳钢，FeO存在温度为>600℃，对于低铬合金钢，FeO 存在温度为>650℃，如图4和图5所示。

图4 低碳钢在不同温度下形成的氧化膜类型

图5 低铬合金钢在不同温度下形成的氧化膜类型

FeO经高温缓慢冷却后，转变为Fe3O4。因此，参考图4和图5，并结合爆管内外壁氧化层形貌､氧化层分层结构和组分等，推断爆管内壁氧化层形成温度超过650℃，管子爆裂前长期超温运行。

对于锅炉高温过热器管，由于蒸汽介质作用，在管子内壁会形成氧化层。温度越高，界面反应速率越快，氧化速率也越快。同时，管子内壁氧化层的增厚与金属超温运行互为关联：由于氧化层的传热热阻较大，阻隔了蒸汽介质与管壁金属的热量交换，从而导致管壁金属温度进一步升高，而温度升高又加速了其氧化过程，从而形成恶性循环。

美国电力研究协会(EPRI)对锅炉高温过热器的氧化层剥落机理进行了研究，研究结果认为：过热器管内壁氧化层的剥落，主要是由于运行工况的变化造成，如金属超温运行､温度和压力波动变化､金属材料固有特性等。燃煤电厂运行管理经验表明，由于机组启停时温度和压力变化最大，特别容易出现内壁氧化层自动剥离脱落问题，并在管子下弯头处堆积。

日本IHI株式会社和丹麦ELSAM电力公司的研究亦均指出：氧化层的成长存在边界效应，即随时间推移氧化层达到临界厚度时，氧化层开始剥落。氧化层剥落的主要原因是氧化层与母材的膨胀系数不同，在载荷变化迅速､锅炉启停等情况下，氧化层易剥离。对于铁素体钢，氧化层开始剥落的临界厚度是500μm。

由宏观观察可知，爆管的爆口呈现明显的瞬时过热开裂特征。

力学性能试验结果表明：

①相邻管经2×104h运行后，室温和高温强度均明显下降，但未低于标准值，这表明一方面管子发生了明显的材料老化现象，另一方面管子强度尚满足设计要求，当蒸汽流量等参数正常时不至于发生爆管；

② 爆管的室温和高温强度比备管的高，结合爆管的显微组织及爆裂过程，推测管子爆裂前管内蒸汽流量异常降低致使管子发生了过热或过烧现象，最终导致管子瞬时过热而爆管。