某600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器管爆管原因分析

呂新樂，羅江勇，邊鵬飛，蘇偉茂

(廣東珠海金灣發電有限公司，廣東 珠海 519005)

某600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器管爆管原因分析

呂新樂，羅江勇，邊鵬飛，蘇偉茂

(廣東珠海金灣發電有限公司，廣東 珠海 519005)

某600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器管在運行過程中發生爆管，通過化學分析、金相分析、硬度檢驗、掃描及能譜分析等，結果表明：爆管的主要原因是該管段超溫運行，加之管段內壁在制造過程中產生的尖銳凹痕，以及管段基體組織中存在較多且顆粒尺寸較大的富鈮相，促進了裂紋的萌生與擴展。并提出了運行檢修建議。

超臨界鍋爐；過熱器；失效

1 事故概況

進入21世紀以來，我國經濟的高速發展和城鎮化速度加快，電力消費保持穩定增長態勢，大量的超臨界、超超臨界機組投入運行[1-3]。大容量機組效率高、能耗低，具有明顯的經濟和環保優勢，但其頻繁的啟停對機組的經濟性不利。據不完全統計，我國近年來投產的大容量機組因鍋爐受熱面爆漏而造成停機的占40%以上[4-5]，而其中因運行工況惡劣的末級過熱器、末級再熱器爆漏問題又占了絕大多數。因此對高溫過熱器的爆管原因及機理進行針對性分析，找出相應的防范措施很有必要。

某公司鍋爐為600 MW超臨界鍋爐，主蒸汽溫度為571 ℃，出口工作壓力25.4 MPa，運行約2.5年后，過熱器管一處彎頭在運行過程中發生爆管，材質為TP347HFG。

2 失效分析

2.1 宏觀檢查

對發生爆管的受熱面管進行宏觀檢查，宏觀照片如圖1所示。

爆口位于管段彎頭處外弧面，爆口較大，縱向方向長約185 mm，環向方向寬約25 mm，塑性變形明顯，爆口斷面較粗糙，邊緣較鈍，呈厚唇狀，爆口處管壁減薄量不大。

從爆口處觀察內表面有2條與管子中心線平行的凹痕，凹痕向兩端延伸，并在爆管兩側直段內表面分別發現數條(其中一側為3條，另一側為5條)類似的凹痕。

2.2 成分分析

依據GB/T223《鋼鐵及合金化學分析方法》

圖1 爆管段宏觀照片

及相關檢測標準對取樣管進行化學成分分析，結果見表1。

表1 化學成分檢驗結果 Wt%

試驗結果表明：爆管的TP347HFG鋼取樣化學成分符合GB5310—2008的要求。

2.3 拉伸及硬度檢驗

依據GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，對爆管取樣進行室溫拉伸試驗，拉伸試樣采取弧形比例試樣，保留原表面。試驗結果見表2。

表2 TP347HFG材質室溫拉伸檢驗結果

室溫拉伸檢測結果表明，爆管的抗拉強度(Rm)、屈服強度(Rp0.2)和斷后延伸率(A)滿足GB5310—2008對相應鋼種的要求。但對于奧氏體不銹鋼，強度與材質的老化程度對應性差，僅憑材質的強度不能反映材料的老化程度。

布氏硬度根據GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，試樣表面經金相砂紙磨光，并進行拋光處理，采用臺式布氏硬度計。測試設備為HBS-3000型數顯布氏硬度計，試驗條件：負荷187.5 kg、負荷保持時間10 s。試驗結果如表3所示。

表3 材質TP347HFG硬度檢驗結果

GB5310要求08Cr18Ni11NbFG (TP347HFG)鋼的硬度≤192 HBW，布氏硬度檢驗結果表明，送檢的TP347HFG管在非爆口處的平均硬度值仍滿足GB5310—2008對相應鋼種的硬度要求。但爆口處的向火面和背火面硬度均高于GB5310—2008對相應鋼種硬度要求的上限。

2.4 金相檢驗

依據DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》及DL/T438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》對送檢爆管進行金相檢驗。

圖2為距離爆口尖端150 mm處的基體組織，可以看出，該處管段金相組織為孿晶奧氏體，晶粒度為7～8級；晶界及晶內有較多的大顆粒狀析出相，內壁有氧化層，氧化層厚度約55.67 μm。

圖2 距離爆口尖端150 mm處的金相組織

圖3為爆口處組織，可以看出，該處管段基體組織為孿晶奧氏體，晶粒度為7～8級。晶界及晶內有較多大顆粒狀析出相；爆口處內壁側有凹痕，深度約835.81 μm，表面有氧化皮，厚度約為56.14 μm。

圖4為爆口尾部凹痕處組織，可以看出，該處金相組織為孿晶奧氏體，晶粒度為7～8級，晶界及晶內有較多的大顆粒狀析出相；內壁凹痕深約297.67 μm，凹痕底部較尖銳，無二次裂紋，凹痕內有氧化層。

圖3 爆口處金相組織

圖4 凹痕處金相組織

2.5 掃描電鏡及能譜分析

依據JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》，利用掃描電鏡及能譜儀對爆口管段外壁微裂紋形態成分及爆口斷面形貌進行觀察分析。試驗儀器為TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡+EDAX GENESIS2000X-Ray能譜儀，分析方法為半定量選區掃描。

如圖5、表4所示，爆口斷面內壁側有凹痕形貌，凹痕表面氧化嚴重。能譜分析結果表明，基體組織中的大顆粒狀析出相為富鈮相。

(a)能譜分析區域

(b) 爆口斷面內側形貌(500×)圖5 爆口處掃描形貌

元素重量百分比/Wt%原子百分數/At%Nb61.0849.33Cr7.3410.59Fe25.0533.65Ni4.375.58

3 檢驗結果

經上述綜合檢驗表明，爆管段內壁有最厚達70 μm的氧化層，而爆管段的運行時間僅約2.5年，由此說明，爆管可能存在超溫運行現象；爆管段內壁有平行于管中心線的凹痕，從微觀組織觀察發現，凹痕底部較尖銳，表面有氧化層，且在爆口邊緣內表面處也發現了較深的凹痕，且凹痕處的氧化皮表明，凹痕產生于制造過程中，凹痕處存在較大的應力集中，促進了裂紋的萌生。另外，爆管段基體組織晶界及晶內富鈮相較多且顆粒尺寸較大，大顆粒富鈮相的存在破壞了基體組織的連續性，會促進裂紋的萌生和擴展。

綜上所述，爆管的主要原因是該管段超溫運行；加之管段內壁在制造過程中產生的尖銳凹痕，以及管段基體組織中存在較多且顆粒尺寸較大的富鈮相，促進了裂紋的萌生與擴展。

4 運行檢修建議

在后續的運行中，一方面應通過控制主汽溫和防止火焰中心偏斜等措施來嚴格控制超溫問題，另一方面應完善溫度監控，在高溫過熱器易發生超溫的區域加裝爐內溫度測點，完善管壁真實溫度監控。在后續的檢修中，應對同批次的受熱面管加強監督，并在機組檢修期間進行普查，如發現內表面凹痕的管段應重點監督，若條件允許可考慮對凹痕較深的管段進行更換。加強原材料的抽檢力度，避免使用內壁有缺陷及基體中含有較多未固溶的富鈮相的管材，從源頭上確保高溫過熱器的高質量零缺陷供貨。

[1] 劉堂禮.超臨界和超超臨界技術及其發展[J].廣東電力，2007，20(1): 19-22.

[2] 譚永強.廣東省發展超超臨界機組的必要性和可行性[J].廣東電力，2010， 23(3): 42-44．

[3] 烏若思.超超臨界發電技術研究與應用[J].中國電力，2006，39(6)：34-37．

[4] 匡江紅, 陳端雨. 1 000 MW級火電機組鍋爐發展綜述[J].動力工程, 2003, 23(1): 2 127-2 134．

[5] 董 琨.600 MW超臨界鍋爐安全和經濟性分析[D].北京: 華北電力大學, 2009．

Cause Analysis on Superheater Tubes Brust in Given 600 MW Supercritical Boiler

Lü Xinle, LUO Jiangyong, BIAN Pengfei, SU Weimao

(Guangdong Zhuhai Jinwan Power Plant Company Limited，Zhuhai，Guangdong 519005，China)

The superheater tube in a 600 MW supercritical boiler ruptures, the brust tube is studied by chemical analysis, metallographic analysis, hardness test and scanning electro microscope.The results indicate that the brust tube is overheated,there is pungent indentation in the inside of tube and there are many niobium rich phases with larger particle in the matrix of the pipe, which promote the initiation and propagation of crack.

supercritical boiler; superheater; invalidation

TM621

A

1004-7913(2017)01-0034-03

呂新樂(1984)，男，學士，工程師，主要從事鍋爐本體及管閥設備檢修管理工作。

2016-10-21)