屏式過熱器“一管兩爆”原因分析及對策

袁燕明 張繼文

（汕尾電廠，廣東 汕尾 516623）

1、情況簡介

2009年9月25日，汕尾電廠1號鍋爐發生爐內爆管。停爐后發現屏式過熱器第8屏前屏外往內數第6根管（A8-6）的出口段距離頂棚約1米處有一爆口，與此同時，此管出口段靠近出口分配聯箱約100mm處的管座處亦有一爆口，兩個爆口相距約3米。

汕尾電廠1號鍋爐型式為DG1950/25.4-Ⅱ2，為東方鍋爐廠制造生產的超臨界本生直流爐。鍋爐的屏式過熱器布置在爐膛正上方，從爐膛的左右兩側通過屏過進口混合集箱向15屏分配集箱輸送介質，每屏分兩路進出，進口額定溫度437℃，壓力25.9MPa，出口額定溫度為518℃，壓力25.8MPa。機組于2008年1月27日正式投入商業運行，至2009年9月25日，鍋爐累計運行14108小時，啟停11次。

2、爆口宏觀檢查情況

（1）爐膛內爆口（爆口1）：屏過第8屏前屏外往內數第6根管（A8-6）的出口段距離頂棚約1米。材質：SA213-TP347H；規格：φ45×10.8。T347H爆管的宏觀形貌（如圖2）：

1）爆口處呈塑性薄唇狀張開，開口很大，幾乎呈十字狀，爆口尺寸180×100mm。

圖1 屏式過熱器結構圖

2）爆口處管子周長變化很大，管壁塑性變形嚴重。

3）爆口處外側不存在明顯的氧化皮，也沒有與主裂紋平行的微小裂紋。

圖2 T347H爆口宏觀形貌

圖3 T91爆口宏觀形貌

4）管壁厚度由焊口至爆口逐漸減薄。

（2）爐外大罩內爆口（爆口2）：屏過A8-6管與出口分配集箱相連的管座距離聯箱100mm處，材質 SA213-T91；規格：φ45×10.8。

T91爆口宏觀形貌（如圖3）：1）爆口處裂紋呈脆性唇狀張開，開口不大，爆口尺寸約為40mm×4mm。2）爆口處管子周長變化不大，管壁幾乎沒有減薄。3）爆口處外側存在較厚的氧化皮。4）爆口周圍有與主裂紋平行的縱向成束裂紋群。

（3）對爆口所在的屏過進口分配集箱進行內窺鏡檢查，發現集箱內有環狀異物，周長106；直徑34；材質為：P12；基本可以判定為低溫過熱器出口集箱管控加工時殘留的鐵屑。對第8屏前屏受熱面的下彎頭 A8-1、A8-2、A8-3、A8-4、A8-10、A8-14射線檢查，未發現有異物或氧化皮堆積的信號。

3、爆口試驗分析

測量位置 ① ② ③ ④ ⑤ 平均值TP347H爆口處 151 145 141 143 147 145 TP347H爆口背面 178 181 175 179 180 178 T91爆口處 132 129 136 131 134 132備注：硬度測量選用布氏硬度（HB）

（1）對爆口附近管子進行硬度檢查，具體結果如下（表1）：（2）材料的化學成分。從材質為TP347H、SA-213T91的爆管上分別割取長約10*10mm2的小塊樣品，并打磨出一個小平面進行化學成分分析，具體結果如下表所示。

從表2可以看出，材質為T347H的屏式過熱器管，各元素含量在標準值范圍內；從表3可出SA-213T91管除N元素含量為零，低于標準值外，其它各元素含量在標準值范圍內。

（3）金相組織分析

從TP347H和T91管上分別切取基體樣品和爆口區樣品作為金相分析用試樣。對試樣的橫截面進行機械研磨、拋光后，用王水浸蝕，將制備好的金相試樣于金相顯微鏡下進行組織觀察與評定。

表2 TP347H屏式過熱器管的化學成分分析結果

表3 T91屏式過熱器管的化學成分分析結果

1）TP347H的金相組織。由圖4可以看出，基體夾雜物為顆粒狀，沒有帶狀夾雜物。夾雜物等級為1級。從圖5可看出，TP347H管的金相組織為奧氏體+大量晶界析出物+少量晶內析出物。與此同時，對同批次沒有使用的原始管件進行微觀組織分析，未發現有大量的晶界析出物。同圖5的基體組織相比，圖6的晶粒有一定程度的變形拉長，同時組織中有大量的類似孔洞的黑色組織，特別是靠近爆口處這種黑色組織更加明顯。觀察管件爆口處的宏觀形貌可

圖4 TP347H管基體的夾雜物形貌（拋光態）500X

圖5 TP347H管基體的金相組織（王水浸蝕）500X

以看到，爆口處變形很大，徑向明顯變粗很多，因此爆口處橫向（徑向）微觀組織上的晶粒變形拉長與其宏觀變形的特征是一致的。

同圖6相比，圖7中晶粒變形不明顯，但組織中同樣有大量的類似孔洞的黑色組織，特別是靠近爆口處這種黑色組織更加明顯。觀察管件爆口處的宏觀形貌可以看到，爆口處雖然變形很大，但主要體現在徑向，軸向變形不是很大，因此爆口處微觀組織在縱向晶粒變形不明顯。

圖6 遠離爆口邊緣金相組織 500X

圖7 遠離爆口邊緣金相組織 500X

2）T91管的金相組織分析。從圖8可看出，A8-6爆管遠離爆口的基體的金相組織回火索氏體，老化等級為2級，為等軸晶。從圖9可以看出，靠近爆口的基體的金相組織鐵素體+粒狀碳化物，老化等級達4級，晶粒被明顯拉長，并且裂紋前端的晶界有被氧化的痕跡。

3)疑難組織的SEM觀察和能譜成分分析

對于TP347爆口處大量的類似孔洞的黑色組織，在金相顯微鏡下對其凹凸特征分辨不清，為進一步確定其孔洞的特征，我們對其進行了掃描電鏡觀察與分析。同時，基體組織中大量晶界析出物組織也不符合常規，因此也對其進行了掃描電鏡觀察與分析。圖10為爆口處組織的低倍SEM形貌，圖中左側為爆口邊緣。圖11為圖10中左側爆口區的局部放大?？梢娊鹣囡@微鏡下看到的黑色區域在掃描低電鏡下觀察時為明顯的孔洞，說明金相顯微鏡下看到的黑色區域確實為高溫應力條件下運行形成的蠕變孔洞。

圖8 靠近爆口附近基體的金相組織500X

圖9 爆口裂紋尖端的金相組織 500X

4、爆管原因分析。

（1）T91管材化學元素分析中N含量為0，而N元素為T91中的重要元素，N元素的缺少導致了管子強度的減小，其高溫性能降低，容易使其成為超溫爆管的薄弱環節。（2）從爆口1處形成的大量蠕變孔洞可以初步判斷，TP347H管發生爆管的主要原因是長時高溫過熱引起的蠕變開裂。不過TP347H爆管的宏觀形貌觀察中并沒有在爆口處發現明顯的氧化皮，而爆口處明顯的氧化現象是通常的長時高溫過熱的典型宏觀特征。因此，此次爆管有其一定的特殊性。（3）按照目前爆口1看到的微觀組織和晶界析出物的程度，材料的老化等級已經達到5級。通過對同批次管材金相組織的分析對比，晶界析出物的形成是應該是由于運行時的高溫過熱造成的老化組織，與爆管是由于長時高溫過熱引起的蠕變開裂的結論是一致的。（4）從焊口前后對比觀察，從焊口至爆口是逐漸減薄，說明爆口1管子的減薄是超溫過熱后蠕脹引起。（5）從爆口2宏觀形貌特征可知，爆口處裂紋呈脆性唇狀張開，開口不大；爆口處管子周長變化不大，管壁幾乎沒有減??；爆口處外側存在較厚的氧化皮及平行的縱向成束裂紋群。結合微觀組織上爆口處組織老化嚴重的特征，認為爆口2屬長時高溫過熱造成，過熱溫度低于相變點，但時間較長。（6）分析認為爆口2發生泄漏前，受到由于蒸汽壓力聚變所產生的沖擊力，此沖擊力與及作用位置與當時工況及所處位置有關。

圖10 爆口處的低倍形貌（左側為爆口邊緣）75X

圖11 圖10左側爆口區的局部放大 2000x

綜上所述，A8-6管發生“一管兩爆”，判斷為爐內TP347H先爆漏再引發T91泄漏，原因及過程如下：異物進入A8屏過進口分配集箱內，堵塞屏過進口管管孔，管內蒸汽流量減少，首先在對應管A8的出口T91管段長期超溫（超過T91的極限使用溫度620℃，低于TP347H的極限使用溫度650℃），力學性能下降。由于A8-6管孔進口處異物未固定，隨機狀態；當異物堵塞在某一位置時，A8-6蒸汽流量大大減少，導致爐內TP347H超溫，在爐內出口管段首先爆漏。TP347H爆漏處，蒸汽壓力急劇下降為0；同時泄漏點至屏過出口分配集箱管內蒸汽倒流。出口段蒸汽壓力變化迅速，同時流體的慣性，管內壓力發生劇烈波動，形成水錘沖擊，再加上T91管因長期過熱造成機械性能下降，在A8－6管座出口處（倒流后變為蒸汽出口）開裂。

5、處理措施

（1）更換爆漏的管子，待機組停機檢修時，全面檢查屏過進口、高過進口及高再進口集箱的內部清潔度，盡可能避免此類事故再次發生。

（2）T91成分與標準不符，機組檢修時，對大罩內所有的T91管座、彎頭進行外觀檢查，發現有發藍的進行硬度檢查，將硬度值不符合要求的管子全部更換。

（3）做好超溫記錄分析，發現異常，及時做好檢查處理措施。

[1]王孟浩等.《電廠1000t/h直流鍋爐高溫過熱其超溫爆管的試驗分析》.《鍋爐技術》,1987.

[2]楊建菊等.《屏式過熱器爆管原因分析》.《熱力發電》，2007.