大型火電機組過熱器爆管原因分析

張志強，安冬冬，曲同良，王承亮，朱曉磊

（1.華電青島發(fā)電有限公司，山東 青島 266031；2.華電國際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟南 250000；3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240）

0 引言

火電機組過熱器的運行安全問題一直是近些年火電領(lǐng)域研究的重點內(nèi)容。隨著國家節(jié)能減排政策的逐步推進(jìn)，鍋爐運行參數(shù)尤其是主汽溫度呈不斷升高的趨勢。在此背景下，過熱器的超溫爆管問題也呈連年增多的趨勢。同時，隨著摻燒劣質(zhì)煤和靈活性調(diào)峰成為常態(tài)，火電機組實際燃燒煤質(zhì)偏離設(shè)計煤質(zhì)，其運行參數(shù)也大幅偏離設(shè)計值。此外，在機組快速升降負(fù)荷過程中，熱偏差、超溫等問題無法預(yù)期和控制，所造成的超溫爆管問題進(jìn)一步加劇。

基于此，國內(nèi)的電力工作者和研究人員不斷進(jìn)行著探索和研發(fā)工作。李虹霖［1］等人對鍋爐后屏過熱器爆管樣品進(jìn)行一系列分析研究，其主要原因是長期超溫運行導(dǎo)致樣管發(fā)生蠕變爆管。白佳［2］等人對超臨界鍋爐T91鋼過熱器的爆管原因進(jìn)行分析，表明過熱器管接頭環(huán)焊縫內(nèi)部焊瘤阻礙了蒸汽流動，同時氧化皮影響熱量傳遞，最終導(dǎo)致爆管泄露。芮文明［3］等人針對某電廠長期低負(fù)荷運行時過熱器出現(xiàn)變形、超溫等問題進(jìn)行材質(zhì)分析，提出機組在低負(fù)荷、變負(fù)荷運行調(diào)整措施及停爐期間的技術(shù)監(jiān)督，調(diào)整后過熱器超溫及爆管現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。胥楊［4］等人對某亞臨界機組屏式過熱器爆管原因進(jìn)行分析，其主要原因是高溫環(huán)境下的過載失效斷裂。左敦桂［5］等研究了某電廠350 MW 亞臨界機組T91 高溫過熱器管服役120 000 h 發(fā)生爆管的原因，結(jié)果表明：爆口呈喇叭狀，邊緣鋒利，具有典型的塑性變形特征；爆口組織嚴(yán)重老化、力學(xué)性能均接近或低于標(biāo)準(zhǔn)要求以及氧化皮堆積等導(dǎo)致管壁在高溫下運行時承受的應(yīng)力超過了其屈服極限，造成短時超溫爆管。從管樣檢查、金相分析和氧化膜形貌的角度出發(fā)，探索爆管原因和影響因素，提出了解決超溫爆管工藝措施，解決過熱器超溫爆管問題，提高機組運行安全。

1 概況

某大型火電機組，蒸汽蒸汽參數(shù)為25 MPa/570 ℃，過熱器為SA-213 T91 與SA-213 TP347H 對接焊管，管徑壁厚規(guī)格為51 mm×7 mm 和45 mm×9.2 mm，蒸汽從TP347H 流向T91 側(cè)，過熱器已運行時間為30 000 h；在檢修過程中發(fā)現(xiàn)高溫過熱器內(nèi)存在大量剝落的氧化皮，在進(jìn)行氧化皮檢測時，發(fā)現(xiàn)大量管內(nèi)氧化皮堆積量超標(biāo)，之后發(fā)生兩次因高溫過熱器氧化皮堵塞造成的爆管非停事件，爆口位置位于近焊縫處T91 一側(cè)雖采取了割管方法對管內(nèi)氧化皮進(jìn)行清理，但啟機后仍存在著再次爆管導(dǎo)致機組非停的風(fēng)險。為了充分了解過熱器管的氧化皮形成情況，現(xiàn)對爆管試樣和未爆管區(qū)域母材進(jìn)行分析，以查明爆管的原因。

爆管試樣的宏觀形貌見圖1。樣管破裂在T91段，T91 母材取樣、TP347H 母材取樣位置都在爆管試樣的兩端，爆口位置取樣如圖1 所示。對切割的T91母材和TP347H 母材進(jìn)行檢測，如圖2 所示，T91 管內(nèi)壁存留較多“松柏樹皮狀”紅褐色氧化物，殘存的氧化物表面有較多的沿管長度方向的裂紋；TP347H 母材管內(nèi)壁存留有較少的黑色片狀氧化物。

圖1 爆管宏觀形貌

圖2 管內(nèi)壁宏觀形貌

2 檢測分析

對T91母材段、TP347H母材段及爆口區(qū)域進(jìn)行檢測分析，內(nèi)容包括氧化皮、金相組織和硬度檢測分析等。

2.1 T91母材段檢測分析

2.1.1 掃描電子顯微鏡氧化膜檢測

對T91母材管段截面研磨拋光，在掃描電子顯微鏡（SEM）下進(jìn)行檢測。T91 管內(nèi)壁氧化膜截面形態(tài)見圖3，氧化膜為內(nèi)外兩層，外層柱狀晶疏松多孔，部分區(qū)域已經(jīng)發(fā)生剝落，氧化膜的內(nèi)層與基體之間的黏附較好，氧化膜的厚度約為160 μm。

圖3 母材管內(nèi)氧化膜形態(tài)

2.1.2 金相組織檢測

按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，使用Axiovert 200 MAT倒置金相顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行金相組織檢測。T91鋼組織老化評定依據(jù)DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》進(jìn)行。T91管母材金相組織檢測分析見圖4，T91管母材的組織由鐵素體和碳化物組成，進(jìn)一步檢測碳化物的尺寸及分布見圖5，爆口附近的T91母材3級老化（中度老化）［6］。

圖4 T91母材金相組織

圖5 母材組織SEM檢測

2.1.3 硬度檢測

對T91 母材橫截面段進(jìn)行硬度分析，如圖6 所示，兩次硬度測試結(jié)果見表1。結(jié)果表明：部分位置的硬度接近或超過GB/T 5310 中規(guī)定的硬度上限、部分位置的硬度在標(biāo)準(zhǔn)以下。

表1 T91母材硬度檢測結(jié)果

2.2 TP347H母材段檢測分析

2.2.1 SEM氧化膜檢測

對TP347H 母材管段截面研磨拋光，在SEM 下進(jìn)行檢測。氧化膜截面形態(tài)見圖7，TP347H 母材管內(nèi)氧化物較少，只有局部殘留有富Cr尖晶石氧化物，氧化膜的厚度為15～36 μm。

圖7 TP347H母材管內(nèi)氧化膜形態(tài)

2.2.2 金相組織檢測

TP347H 管母材金相組織檢測分析見圖8，TP347H管母材為奧氏體組織，母材晶粒度為4.5級。

圖8 TP347H母材金相組織

2.2.3 硬度檢測

對TP347H 母材橫截面段進(jìn)行硬度分析，如圖9所示，硬度測試結(jié)果見表2。結(jié)果表明：所測試的區(qū)域硬度值都在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

表2 TP347H母材硬度檢測結(jié)果

圖9 TP347H母材布氏硬度測試

2.3 爆口分析

2.3.1 爆口宏觀分析

爆口的宏觀形貌見圖10，從爆口宏觀形貌特征來看，爆口呈現(xiàn)明顯的喇叭口，有著非常大的塑形變形，爆口邊緣減薄非常明顯，具有明顯的短時超溫特征［7］。

圖10 爆口宏觀形貌

2.3.2 SEM氧化膜檢測

如圖1所示，切取爆口附近的試樣進(jìn)行分析。爆口附近內(nèi)壁形貌見圖11。爆口附近內(nèi)壁可以看到明顯的氧化物，氧化物的厚度約為60 μm。

圖11 爆口附近內(nèi)壁形貌

2.3.3 金相組織檢測

T91 爆口附近的金相組織見圖12，T91 管母材的組織由鐵素體和碳化物組成，這也印證了短時超溫爆管后，大量碳化物在晶界析出的特征［8-9］，碳化物的尺寸及分布見圖13，T91爆口附近的組織老化評級為4～5級（完全老化）。

圖12 T91爆口附近金相組織

圖13 T91爆口附近的組織SEM檢測

2.3.4 硬度檢測

對T91 爆口附近橫截面段進(jìn)行硬度檢測，如圖14 所示，點1、點2、點3 的硬度分別為165.9 HBW、166.5 HBW和166.5 HBW，低于GB/T 5310 中規(guī)定的硬度下限180 HBW。

圖14 硬度測試測點

3 分析與討論

應(yīng)力和溫度很大程度上決定了過熱器管的使用壽命。當(dāng)管金屬溫度在蠕變范圍內(nèi)時，鍋爐管的強度取決于應(yīng)力水平和溫度。增加任一應(yīng)力或溫度都可能縮短管破裂的時間，在研究應(yīng)力破裂機制引起的失效時，必須同時注意這兩個因素。應(yīng)力斷裂失效機制主要發(fā)生在運行溫度在蠕變范圍內(nèi)的過熱器和再熱器。當(dāng)存在導(dǎo)致管子工作溫度升高的異常傳熱條件，過熱器極有可能會出現(xiàn)應(yīng)力破裂。如果管子的厚度因腐蝕或侵蝕而減小，則環(huán)向應(yīng)力將增加，從而增加失效的可能性。管中的周向環(huán)向應(yīng)力由管的直徑和厚度確定，如式（1）所示。

其中：σh為管壁的環(huán)向應(yīng)力，MPa；P為內(nèi)應(yīng)力，MPa；Dm為管的平均直徑，mm；W為管壁厚度，mm。

“過熱失效”是指由于管子在高于管鋼設(shè)計溫度下運行一段時間后引起應(yīng)力斷裂的失效形式。在過熱溫度下的時間是一個重要因素，這些類型的故障稱為“短期”和“長期”過熱［10］。圖15 顯示了鍋爐可能發(fā)生短期過熱的位置。本文中T91 爆口呈塑性張開，呈現(xiàn)明顯的喇叭口，有著非常大的塑形變形，斷裂面粗糙而不平整，爆口邊緣減薄非常明顯，爆管從內(nèi)向外發(fā)生，爆管內(nèi)表面有沖刷痕跡，從圖11 中可以看到爆口處外表面局部和內(nèi)表面均存在明顯的氧化皮，由此可判定爆管為短時超溫所致。根據(jù)T91運行的平均蒸汽壓力為25 MPa 以及管道管徑壁厚等參數(shù)，可計算T91 管理論上承受的最大環(huán)向應(yīng)力為91 MPa，各種運行溫度下的T91 最大許用應(yīng)力見表3，表明T91 內(nèi)壓遠(yuǎn)高于假設(shè)參數(shù)在ASME 規(guī)范中的各溫度下的規(guī)定值。

圖15 鍋爐管易發(fā)生短時過熱爆管的位置

表3 T91無縫管不同工作溫度下的最大許用應(yīng)力

T91 管承受較高的內(nèi)壓和溫度，管破裂損壞的最重要原因是管子服役溫度下的應(yīng)力超過定義的強度極限。超溫會加速T91 管內(nèi)壁氧化膜的生長，而氧化膜的絕熱作用亦會使金屬壁溫升高，導(dǎo)致管蠕變破裂；并且隨著溫度的升高，氧化膜的生長速率增大，在一定的時間內(nèi)形成的氧化膜更厚，這會導(dǎo)致幾個問題：第一，氧化膜的出現(xiàn)使得管的有效壁厚減小，管壁承受的應(yīng)力增大，使得管因蠕變而破壞［11］；第二，低熱導(dǎo)率的氧化膜減少了管壁與冷卻水之間的熱交換，使得金屬溫度升高，這也可能增加管壁煙氣側(cè)腐蝕和蠕變的速率［12］；第三，厚的氧化膜容易在機組停機冷卻時剝落，剝離的氧化物會阻塞氣流造成鍋爐過熱器超溫爆管［13］，本文中T91 鋼的氧化膜厚度達(dá)160 μm，且氧化膜外層疏松多孔（圖3），極容易剝落，氧化膜剝落導(dǎo)致超溫爆管的風(fēng)險很大。

分析結(jié)果表明，要避免T91 短時超溫爆管事故的發(fā)生，需要做到幾點：密切監(jiān)測易發(fā)生超溫管段，尤其是管彎頭處，減少管壁超溫；停機檢修時，及時清理疏松的氧化物，清理管彎頭處堆積的氧化物；更換抗氧化性能更好的管材，如用（噴丸）TP347H 作為過熱器選材。

4 結(jié)語

過熱器T91 爆口附近的金相組織大量碳化物在晶界析出，管段組織已嚴(yán)重老化，硬度均接近或低于標(biāo)準(zhǔn)要求，爆口附近的氧化物不同程度的剝落，遠(yuǎn)離爆口的管內(nèi)壁氧化物疏松多孔，也極易剝落，剝落的氧化物在管徑變徑處堆積阻塞了蒸汽流通，是導(dǎo)致T91 管短時超溫爆管的主要原因。由于生成的氧化膜與母材之間熱膨脹系數(shù)的差異，在啟停過程中及溫度壓力波動條件下，氧化膜再次發(fā)生大面積剝落的概率較大，因此建議在鍋爐運行中應(yīng)當(dāng)減小溫度的波動，在鍋爐的啟停過程中，嚴(yán)格控制啟停的速率，以避免脫落的氧化皮在部分部位堆積堵管，防止超溫爆管事故的發(fā)生。此外，建議使用較高等級材料和工藝如噴丸不銹鋼管作為過熱器選材 替 換T91，如TP310HNbN、噴 丸TP347H、噴 丸S30432 等，以進(jìn)一步提高管材內(nèi)壁的抗蒸汽氧化性能和高溫力學(xué)性能，防止超溫爆管事故的發(fā)生，以保證鍋爐長期安全穩(wěn)定運行。