600MW超臨界機組屏式過熱器管爆管分析

白 佳

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

600MW超臨界機組屏式過熱器管爆管分析

白 佳

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

通過對爆管樣品的宏觀形貌分析、化學成分分析、硬度檢驗、金相組織檢驗和掃描電鏡分析，對某超臨界機組T91材質的屏式過熱器爆管原因進行分析。結果表明，爆管試樣硬度偏低，這與顯微組織的變化相關。T91鋼的正常供貨組織應為回火馬氏體，而爆管樣品爆口處的金相組織顯示馬氏體板條位向消失，演變為鐵素體和于晶界處析出的顆粒較大的碳化物。屏式過熱器管超溫服役，導致材料組織老化，綜合力學性能下降，在高溫高壓蒸汽作用下發生失效，造成泄漏。

超臨界鍋爐； 屏式過熱器； T91鋼； 爆管

0 引言

T91鋼是9Cr-1Mo鋼的改進型鋼種，1983/84年被ASME/ASTM標準化，即SA213-T91。T91鋼是通過降低含碳量，添加微量的鈮與釩，利用微合金化，采用控軋控冷工藝制造的新型馬氏體耐熱鋼。這種鋼由于降低了C、S和P等雜質的含量，使焊接裂紋的敏感性明顯降低，焊接性能顯著提高。T91鋼由于其良好的抗蠕變、抗疲勞、抗高溫氧化與腐蝕性能等特性，成為目前我國超臨界發電機組的常用材料之一[1]。

1 事故概述

某電站#2鍋爐為600MW國產超臨界“W”型火焰鍋爐，采用一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、π型布置、露天布置，于2013年11月1日正式投入運行，過熱蒸汽出口壓力為25.5 MPa，出口溫度為571℃。2014年1月22日機組停運后，于1月28日對鍋爐受熱面進行檢查時發現，屏式過熱器管發生泄漏，泄漏位置位于屏式過熱器管屏，由A側至B側第11屏，由前至后第1根管子彎頭下方豎直段，泄漏管材質為T91，規格為Φ38×9mm。本文通過對爆管樣品進行微觀組織分析，得出導致泄漏的原因。

2 試驗結果與分析

截取爆管樣品進行化學分析、宏觀形貌分析、硬度試驗、光學金相分析及掃描電鏡（SEM）形貌分析，并分別在爆口處爆口側、爆口背側及爆口遠端（距爆口約10cm處）選取試樣進行檢驗分析。

2.1 化學成分分析

依據GB/T223系列標準方法對管樣進行化學成分分析，結果見表1。從表中結果可以看出，管樣主要化學成分符合ASME SA213-2013和GB 5310-2008標準要求。

表1 化學成分分析結果（質量分數，%）Tab.1 Results of chemical composition analysis(wt%)

2.2 宏觀形貌分析

對屏式過熱器爆管進行宏觀觀察，爆口沿縱向開裂，爆口長度約12mm，最寬處約0.5mm。爆口邊緣呈鈍邊，斷裂面粗糙不平整，附近有大量縱向平行的樹皮狀裂紋。管件在爆口位置有明顯脹粗，脹粗部位最大直徑為51mm；爆口兩側存在壁厚減薄，最薄處壁厚約為2.81mm。爆口處及爆口背側宏觀形貌如圖1所示。沿縱向將管件剖開后發現，爆口側的內表面可見多條軸向裂紋，爆口背側內表面未發現在外表面看到的縱向裂紋，且內表面均無結垢。爆口的宏觀形貌具有較典型的過熱開裂特征。

2.3 硬度檢驗

依據GB/T231.1-2009標準方法對管樣進行硬度試驗。布氏硬度試驗結果見表2。硬度試驗結果表明，管樣在爆口處及距離爆口10cm處的布氏硬度值均低于ASME SA213-2013標準中布氏硬度要求范圍的下限值（190 HBW），其中爆口處的硬度最低。

圖1 管段爆口宏觀形貌Fig.1 The macroscopic morphology of the leaked tube

表2 布氏硬度試驗結果（HBW）Tab.2 Results of brinell hardness test(HBW)

2.4 金相組織檢驗

使用Leica DM 2500M型金相顯微鏡對爆管樣品進行金相組織檢驗。圖2為爆管管樣爆口側及爆口背側的顯微組織形貌。觀察可知，爆管管樣爆口處的金相組織為鐵素體基體和于晶界處析出的顆粒較大的碳化物。T91鋼的交貨態組織為回火馬氏體，在板條狀的馬氏體基體上形成許多細小的亞晶，細小彌散的碳化物分布在板條界和板條中[2]。而爆管管樣的顯微組織中，馬氏體的板條位向已完全消失，出現了等軸狀晶粒。

圖2 管段爆口處顯微組織形貌Fig.2 The metallographic structure of the leaked tube

2.5 掃描電鏡分析

使用Tescan VEGA 3 LMU型掃描電子顯微鏡對爆口的高倍顯微組織進行觀察。圖3為爆口處SEM分析照片，組織為等軸狀鐵素體，呈現多邊形塊狀形貌，較難觀測到馬氏體板條的浮凸形態。基體表面可以明顯看到顆粒狀析出物，且有在晶界處聚集的現象，晶界上的析出物顆粒尺寸較大。析出物顆粒偏聚于晶界，部分區域成鏈狀特征，削弱晶界強度，降低材料的位錯密度。

3 爆管原因分析

T91鋼一般在正火加回火狀態下供貨，正常組織應為均勻的回火板條狀馬氏體。板條內形成亞晶粒孕育的高密度纏結的位錯網絡；晶間和晶界彌散分布著合金碳化物，碳化物主要是M23C6型和MC型，碳化物粒子在板條界或板條內析出，多呈短條形；固溶強化主要使用Cr元素和Mo元素。熱處理獲得回火板條馬氏體組織結構，從而實現板條馬氏體強化、界面強化、位錯強化、顆粒強化和固溶強化的復合強化效應[3]。

圖3 管段爆口側SEM分析照片Fig.3 SEM image of the failed side of the leaked tube

當T91鋼在過高溫度下服役時，板條馬氏體先發生高溫回復下的碎化和長大，再發生再結晶和晶粒的長大，直到馬氏體位向完全消失[2]。微觀分析結果確認了爆口處發生顯著的組織變化，回火板條馬氏體特征消失，晶界上碳化物聚集較多且有顯著粗化。

回復和再結晶造成材料位錯密度下降和亞晶界減少，同時碳化物在晶界析出，尺寸較大且彌散度低，這些顯微組織的變化使材料硬度降低。硬度檢驗結果與此吻合。

T91鋼優異的高溫持久強度有賴于多種強化機制的組合，而碳化物晶粒粗化使得粒子數量減少，粒子平均間距增大，阻止位錯繞過的作用降低，結合顯微組織的變化，從而影響T91鋼的持久強度[4]，造成屏式過熱器管在運行中提前失效。

結合爆口的宏觀形貌，此次爆管的直接原因為超溫過熱導致的材料組織老化。

4 結語

屏式過熱器管爆口的宏觀形貌具有超溫過熱的特征。爆管樣品的主要元素化學成分符合標準要求，硬度值低于標準要求。爆口處的顯微組織顯示馬氏體板條形貌完全消失，金相組織為鐵素體基體和于晶界處析出的粗大碳化物。板條亞結構退化為等軸晶及析出碳化物的粗化是T91鋼在服役過程中持久強度降低并最終爆管的主要原因。

由于鍋爐運行不當或異物堵塞等原因導致部件超溫服役，在此種條件下，材料的顯微組織發生變化，從而破壞了T91鋼的復合強化機制帶來的優異綜合性能，導致材料組織和性能的劣化，進而對管材造成損傷影響。建議加強清潔度檢查，排除隱患，保證機組安全運行。

[1]孫濤，徐雪霞，張曉昱，等．660MW超臨界機組T91鋼焊接接頭斷裂失效分析[J]．熱加工工藝，2012，41(01)：163-164+167．Sun Tao， Xu Xuexia， Zhang Xiaoyu， et al． Fracture failure analysis on T91 steel weled joint of 660MW supercritical units[J]．Hot Working Technology，2012，41(01)：163-164+167(in Chinese)．

[2]鐘萬里，趙君，王偉，等．T91鋼的回火工藝分析及其組織評定[J]．金屬熱處理，2012，37(03)：94-98．Zhong Wanli，Zhao Jun，Wang Wei，et al．Tempering process analysis and microstructure assessment of T91 steel[J]．Heat Treatment of Metals，2012，37(03)：94-98(in Chinese)．

[3]趙彥芬，張路，趙林鳳，等．國產T91鋼在高溫受熱面中的應用評價[J]．中國電力，2009，42(10)：5-11．Zhao Yanfen，Zhang Lu，Zhao Linfeng，et al．Assessment of domestic T91 steel applied on high-temperature surface[J]．Electric Power， 2009，42(10)：5-11(in Chinese)．

[4]王學，張珣，占良飛，等．T91鋼組織退化行為及對高溫持久強度的影響[J]．中國電機工程學報，2012，32(29)：137-142．Wang Xue，Zhang Xun，Zhan Liangfei，et al．Micresructure degradation behavior and its influence on high temperature stress rupture limit of T91 steel[J]．Proceedings of the CSEE，2012，32(29)：137-142(in Chinese)．

Burst Analysis on Platen Superheater Tube of 600MW Supercritical Units

BAI Jia
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

Theburstcauseofaplaten superheater tube of T91 steel in certain supercritical units was analyzed by macroscopicalmorphology,chemicalcomposition,hardness test,OM and SEM observation using the specimens exploded platen superheater tube.Results show a low hardness of the failed tube which is related to the microstructure transformation.The metallographic structure of T91 steel is tempered martensite,while the metallographic structure of the exploded tube doesn’t show any martensite at all.The martensite lath is evolved into ferrite and coarsen carbides precipitated at grain boundry.The overheat operation of superheater tube causes the microstructure degradation and the decrease of mechanical properties,and finally causestheleakageofplaten superheatertubeunderthe condition of high temperature and pressure steam.

supercritical units; platen superheater tube; T91 steel; burst tube

TK223.3+2

B

2095-3429（2017）05-0035-04

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.008

2017-09-27

白佳(1984-)，女，陜西榆林人，工學碩士，工程師，主要從事電站設備金屬理化檢驗與失效分析方面的工作。