某電廠機組低溫再熱器管泄漏原因分析

齊 佶，祖平文

（1.華電新疆發(fā)電有限公司，新疆烏魯木齊 830018；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

作為提高發(fā)電機組設備的重要組成部分，再熱器具有提高循環(huán)熱效率和控制汽輪機末級葉片蒸汽溫度的作用，根據(jù)再熱熱源的不同，將再熱器主要分為對流式、輻射式和半輻射式3 種形式。根據(jù)再熱器工作的主要原理，其主要布置在煙氣溫度較高的區(qū)域，管壁容易超溫以及形成積灰層，在長期的惡劣服役環(huán)境下，造成再熱器管道破損失效[1-3]。

某電廠1060 MW 燃煤汽輪發(fā)電機組，鍋爐為東方鍋爐集團股份有限公司制造的DG3100/26.15-∏1 型超超臨界壓力、一次中間再熱直流爐，燃燒器前、后墻布置對沖燃燒，鍋爐主要設計參數(shù)見表1。其中，BMCR 為Boiler Maximum Continue Rate的縮寫，即鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量；BRL 為Boiler Rated Load 的縮寫，即鍋爐額定負荷。截止此次管道泄漏停機前，該機組已投入使用56 000 多小時，啟停23 次。

表1 鍋爐部分參數(shù)

該發(fā)電機組低溫再熱器由水平段和垂直段兩部分組成，垂直段管子與水平段出口管相連，由每兩屏水平段合成一屏垂直段。該機組低溫再熱器管規(guī)格主要為Φ57×4.5 mm、Φ50.8×4.5 mm，材料包括SA-210C、SA-213T23、SA-213T91、15Cr－MoG、12Cr1MoVG。本次發(fā)生爆管的低溫再熱器管材料為SA-213T23，爆管泄漏問題造成機組緊急停機。為查明管道泄漏原因，避免類似問題再次發(fā)生造成嚴重影響，對發(fā)生泄漏的低溫再熱器管進行分析。

1 宏觀檢查

該機組鍋爐低溫再熱器沿爐寬共布置296 屏，橫向節(jié)距114.3 mm，低溫再熱器垂直段管子與水平段出口管相連，由每兩屏水平段合成一屏垂直段，橫向節(jié)距228.6 mm，橫向屏數(shù)148 屏。低再水平段由包墻過熱器支撐，垂直出口段通過低再出口集箱懸吊在大板梁上。此次發(fā)生爆管的位置位于爐右側(cè)向左側(cè)數(shù)第53 屏，爐前至爐后第9 根再熱器管，其爆口整體形貌如圖1 所示。

圖1 爆口的整體形貌

觀察發(fā)現(xiàn)，失效管道共存在兩處明顯的縱向開裂，一處長約89 mm，寬約1 mm 的縱向不規(guī)則開裂，一處長約80 mm、寬約2.5 mm 的縱向開裂。對裂紋處管道壁厚進行測量檢查，發(fā)現(xiàn)右側(cè)不規(guī)則開裂處壁厚未發(fā)生明顯減薄，背面存在明顯的氧化產(chǎn)物，疑似經(jīng)歷較長時間過熱，因此可以判斷該處為初始泄漏點（圖2）。而左側(cè)開裂處壁厚明顯減薄，為典型的管道次生受損減薄后爆裂，與外部的介質(zhì)吹、磨等因素相關。

圖2 失效管道背面有明顯的氧化產(chǎn)物

2 微觀分析

2.1 顯微組織觀察

對近爆口、遠爆口處分別截取向火側(cè)和背火側(cè)金相試樣，觀察不同部位的顯微組織變化如圖2 所示。SA-213T23 為低碳低合金貝氏體型耐熱鋼，其設計相變溫度為570 ℃，本次發(fā)生失效的低溫再熱器在服役過程中，監(jiān)測溫度多次高于570℃，其組織在服役過程中發(fā)生明顯變化。從顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，發(fā)生失效的低溫再熱器管向火側(cè)發(fā)生了不同程度的碳化物彌散析出聚集，由于晶界處的擴散速度較大，部分聚集在晶界處呈鏈狀分布（圖3）。顯微組織中的貝氏體特征已經(jīng)基本消失，背火側(cè)組織雖能夠觀察到貝氏體組織特征，但也有明顯的碳化物析出。

圖3 泄漏管段顯微組織

鏈狀聚集是碳化物分布極不均勻的一種表現(xiàn)。研究表明，呈鏈狀聚集的碳化物主要為Cr 和Mo 元素碳化物，碳化物主要形式為M23C6 和M6C 兩種[4]，在彌散分布條件下，能夠明顯提高鋼材的性能，但其呈鏈狀分布聚集在晶界時，降低了晶界的結(jié)合強度，能夠促進蠕變孔洞的萌生，使材料性能發(fā)生惡化[5-8]。采用JMatPro 軟件對SA-213T23 耐熱鋼的高溫強度進行計算，結(jié)果如圖4 所示：隨著服役溫度的升高，該鋼的強度出現(xiàn)明顯的下降，因此在服役過程中，向火側(cè)組織中碳化物的析出導致其熱強性降低，鏈狀碳化物分布進一步弱化晶界導致材料韌性降低。

圖4 SA-213T23 耐熱鋼高溫強度計算結(jié)果

2.2 裂紋擴展分析

為進一步分析再熱器管失效原因，對初始裂紋擴展形貌進行觀察（圖5）。可以發(fā)現(xiàn)，裂紋主要沿晶界進行擴展，主裂紋在擴展過程中出現(xiàn)多個分支，部分裂紋擴展至晶粒內(nèi)，并且存在多個裂紋源。

圖5 裂紋擴展形貌

分析發(fā)現(xiàn)，裂紋萌生位置主要位于存在氧化產(chǎn)物以及晶界處，氧化產(chǎn)物會降低材料性能、使材料存在一定的薄弱區(qū)域，而氧化產(chǎn)物的存在與材料的服役環(huán)境存在較大關系。同時，晶界處萌生裂紋也證實了鏈狀碳化物析出對晶界有削弱作用。

2.3 氧化層觀察

觀察裂紋擴展發(fā)現(xiàn)存在氧化產(chǎn)物，對管道內(nèi)壁氧化層進行觀察，并測量不同部位的氧化層厚度（圖6）。測量結(jié)果顯示近爆口處向火側(cè)內(nèi)壁氧化層平均厚度約60.18 μm，背火側(cè)氧化層不明顯，遠爆口處的向火側(cè)內(nèi)壁氧化層厚度約47.65 μm，背火側(cè)氧化層厚度約為43.29 μm。

圖6 再熱器管內(nèi)壁氧化層

再熱器管道腐蝕主要為高溫水蒸汽氧化，濕氧條件下，受H+的影響，水蒸汽對低合金管道表現(xiàn)出強氧化性。研究表明，合金鋼在高溫水蒸氣條件下腐蝕的氧化產(chǎn)物主要有Cr2O3、Fe2O3以及FeCr2O4[9]。近爆口處向火側(cè)內(nèi)壁氧化層厚度明顯大于遠爆口處氧化層厚度，證明爆口附近發(fā)生了較嚴重的腐蝕，氧化層的絕熱作用易引起管道超溫，降低管材的壽命[10]。近爆口處背火側(cè)內(nèi)壁氧化層疑似發(fā)生剝落，管道內(nèi)壁存在明顯的蝕坑，其發(fā)生剝落的原因可能是達到氧化層臨界厚度或啟停機過程中的溫度變化所造成。

3 結(jié)束語

（1）本次分析的SA-213T23 耐熱鋼低溫再熱器管段，在經(jīng)歷長時間的高溫、高濕環(huán)境服役后，組織發(fā)生老化，部分區(qū)域貝氏體特征基本消失，晶界處存在鏈狀碳化物聚集，服役環(huán)境導致再熱器管發(fā)生腐蝕，管壁內(nèi)附著明顯的氧化產(chǎn)物，在這些因素的共同作用下，造成裂紋萌生，導致管段失效。

（2）針對本次失效問題，建議在低溫再熱器服役過程中，加強運行溫度監(jiān)測，防止設備超溫運行。具有一定服役時長的管段，因腐蝕及吹損等原因會造成管段性能下降，不符合運行要求的要及時進行更換。