超臨界鍋爐試運(yùn)行期間屏式過熱器爆管原因分析

王甲安，何桂寬，喬立捷，郭延軍，宋忠孝

(1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030;2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 71004)

0 引言

某電廠新建工程裝設(shè)2臺DG1950/25.4－Ⅱ8型600 MW超臨界W形火焰燃燒鍋爐，過熱器出口蒸汽壓力為25.8 MPa，蒸汽溫度為572℃。其中，屏式過熱器前、后布置2組，每組包括22排管屏，每屏由17根 U形管圈組成，有 12Cr1MoVG，T91和TP347HFG 3種材料。

#2機(jī)組在點(diǎn)火啟動時發(fā)現(xiàn)前屏式過熱器從左往右數(shù)第12屏從前往后數(shù)第17根管子發(fā)生爆管，爆管材料為T91，規(guī)格為 ? 45 mm ×7.5 mm;爆口位于材質(zhì)T91與材質(zhì)TP347HFG(規(guī)格為? 45 mm×11 mm)異種鋼焊口上方約50 mm處。停爐后，取該管(編號為#1)及原始管子(編號為#2)做相關(guān)材料檢驗分析。

1 宏觀檢查

過熱器爆口呈喇叭形，爆口邊緣較為鋒利，爆口位置明顯漲粗并沿縱向撕裂，爆口長度約45 mm，最寬處約30 mm，管壁厚度沿圓周方向至爆口邊緣均勻減薄，呈現(xiàn)明顯塑性變形，符合短時過熱爆管特征［1］。爆口宏觀形貌如圖1所示。

圖1 爆口宏觀形貌圖

2 化學(xué)成分及金相組織分析

對#1和#2管樣進(jìn)行了化學(xué)成分分析(見表1)，分析結(jié)果表明，材料主要成分符合ASME SA－213標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的T91成分要求，材料與設(shè)計材質(zhì)相符。

取爆管管樣爆口處、遠(yuǎn)離爆口約400mm處以及原始管樣試樣做金相組織分析，如圖2、圖3及圖4所示。分析結(jié)果表明，原始管樣的金相組織為回火馬氏體，爆口處金相組織為貝氏體+鐵素體，偏離了ASME SA－213T91標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料的典型金相組織。

表1 #1和#2管樣化學(xué)成分分析結(jié)果 %

對#1管樣爆口處以及#2原始管樣進(jìn)行了硬度檢驗，如圖5所示。結(jié)果表明，原始管樣的硬度符合ASME SA－213/SA－213M的要求，爆口處的硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，可能是由于爆管管樣金相組織發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

3 力學(xué)性能分析

圖5 #1爆管爆口處和#2原始樣管的硬度值

表2為#1和#2管樣常溫拉伸性能的試驗結(jié)果。其中L1為爆管管樣向火側(cè)試樣，L2為爆管管樣背火側(cè)試樣，L3和L4為原始管樣試樣。試驗結(jié)果表明，管樣的拉伸強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME SA－213/SA－213M中對T91材料的要求，但爆管管樣的屈服強(qiáng)度偏低。

4 內(nèi)窺鏡檢查

現(xiàn)場用內(nèi)窺鏡對屏式過熱器入口小集箱及低溫過熱器至屏式過熱器之間的連接管進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)在低溫過熱器至屏式過熱器之間的連接管大管彎頭上存在氧化皮狀異物并有大量附著在內(nèi)壁尚未脫落的氧化皮狀附著物。對脫落的氧化皮狀樣品進(jìn)行了外觀形貌及尺寸檢查。氧化皮狀樣品形貌為片狀，形狀不規(guī)則，一般長度方向及寬度方向尺寸為7～15 mm，最長可達(dá)25 mm，樣品一側(cè)(A側(cè))為紅褐色，另一側(cè)(B側(cè))為灰黑色。樣品厚度達(dá)0.47～0.60 mm。

5 掃描電鏡及能譜(EDS)分析

利用HITACHIS－4800型高分辨率掃描電子顯微鏡對氧化皮狀樣品進(jìn)行了表面形貌分析，如圖6、圖7所示。從圖中可以看出:A側(cè)表面相對比較平整，存在顆粒狀物;B側(cè)表面存在大量裂紋，呈龜裂狀，表面不平整，致密性差，在溫度、交變應(yīng)力的作用下很容易從基體上脫落［2－3］。

表2 抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果

圖8和圖9是氧化皮狀樣品A側(cè)和B側(cè)的能譜(EDS)分析圖。從分析結(jié)果來看，樣品 A，B兩側(cè)都有很高的Fe元素和O元素含量，主要是Fe的氧化物;而且在A，B兩側(cè)都發(fā)現(xiàn)了少量的Cr元素的存在，表明Cr元素通過晶界等途徑擴(kuò)散到外側(cè)表面。

6 試驗結(jié)果分析

對原始管樣及爆管管樣進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、金相分析及力學(xué)性能檢驗，結(jié)果表明，管樣的化學(xué)成分、金相組織、硬度及力學(xué)性能等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，爆管具有短時過熱爆管特征。T91鋼典型金相組織應(yīng)為回火馬氏體或回火索氏體。分析結(jié)果表明，爆管管樣金相組織偏離正常組織，硬度略低于標(biāo)準(zhǔn)值，屈服強(qiáng)度不符合要求。分析認(rèn)為，可能是由于發(fā)生了超溫，達(dá)到了材料的相變溫度，導(dǎo)致組織發(fā)生轉(zhuǎn)變。

停爐后通過內(nèi)窺鏡對現(xiàn)場進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在低溫過熱器至屏式過熱器之間的連接管大管彎頭上存在氧化皮狀異物并有大量附著在內(nèi)壁尚未脫落的氧化皮狀附著物，此氧化皮較厚(在0.47 mm以上)，說明該氧化皮是由非奧氏體不銹鋼產(chǎn)生的。對于運(yùn)行時間較短的鍋爐管，其內(nèi)壁難以形成厚度為0.47 mm的氧化皮。可以推斷，該氧化皮并非在運(yùn)行時由蒸汽側(cè)氧化形成的。既有可能是鋼管出廠時自帶的原生態(tài)氧化皮(鋼管未進(jìn)行“內(nèi)鏜外車”等機(jī)加工)，也有可能是設(shè)備制造企業(yè)在彎管及熱處理過程中形成的次生氧化皮，此后進(jìn)行的噴砂(丸)清理、化學(xué)清洗及蒸汽吹管等都沒有清理干凈。

7 結(jié)論

氧化皮與受熱面金屬管壁材料的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)管壁金屬溫度發(fā)生變化時，由于金屬內(nèi)存在一定的熱應(yīng)力，有可能引起氧化皮剝落。在試運(yùn)行期間，屏式過熱器就多次發(fā)生爆管事故，主要原因可能是低溫過熱器至屏式過熱器之間的連接管大管彎頭上存在大量的原生態(tài)或次生態(tài)氧化皮，脫落后堵塞屏式過熱器入口集箱節(jié)流孔或管子，造成管子介質(zhì)流量減小及管子壁溫上升，使管子在高溫下的環(huán)向應(yīng)力超過其材料本身強(qiáng)度而發(fā)生爆管。

［1］鄭曉紅.鍋爐“四管”的失效機(jī)制研究與壽命預(yù)測［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002.

［2］賈建民，陳吉剛，唐麗英，等.12X18H12T鋼管蒸汽側(cè)氧化皮及其剝落物的微觀結(jié)構(gòu)與形貌特征［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28(17):43 －48.

［3］Asteman H，Segerdahl K，Svensson J E，et al.The Influence of Water Vapor on the Corrosion of Chromia-forming Steel Materials［C］//High Temperature Corrosion and Protection of Materials 5.Switzerland:Materials Science Forum，2001:227－286.

［4］GB/T 10561—2005，鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法［S］.

［5］DL/T 438—2009，火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程［S］.

［6］DL/T 884—2004，火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［7］DL/T 991—2006，電力設(shè)備金屬光譜分析技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［8］ASME SA －213/SA －213M—2008，Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic Alloy-Steel Boiler，Superheater，and Heat-exchange Tubes［S］.