電站TP304H 鋼末級過熱器爆管原因分析

劉天佐，郭凱旋，武芯羽，劉獻(xiàn)良，賴云亭

（1.華電國際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟(jì)南 250014；2.華電鄒縣發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)寧 273500；3.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 爆管情況

某電廠5號鍋爐為亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、懸吊式平行雙煙道倒U型燃煤汽包爐，于1997年1月投產(chǎn)。

2020年1月25日，鍋爐上水，投入爐底加熱39 h而未開機(jī)，期間末級過熱器壁溫17℃至94℃。2月 5日 22∶56， 鍋爐點(diǎn)火。 2月 6 日 17∶28，5號爐“四管泄漏”報(bào)警發(fā)出。機(jī)組解列后檢查發(fā)現(xiàn)末級過熱器泄漏，爆口位置位于前屏入口段距離底部彎頭約3.9 m處，如圖1所示。末級過熱器位于爐膛上部出口，沿爐寬布置37排，每排由13根管子組成。末級過熱器管規(guī)格為57.15 mm×6.4 mm （直徑×壁厚），材質(zhì)為TP304H鋼。

圖1 爆口情況

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀檢查

爆口管宏觀照片如圖2所示。爆口開口較大，宏觀上呈現(xiàn)出較大的塑性變形，管段在爆裂中或爆裂后的沖擊碰撞中出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲變形，部分爆口碎片已脫落。爆口一端（J2試樣位置）有輕微脹粗；距離爆口約400 mm（J1試樣位置）無明顯脹粗或減薄；爆口開口最大處唇邊壁厚約4.7 mm，有明顯的減薄。爆口整體呈現(xiàn)出較明顯的過熱特征［1］。主爆口的兩側(cè)外壁有較多的平行于爆口的縱向裂紋，內(nèi)外壁觀察未見有明顯的氧化皮脫落現(xiàn)象。

2.2 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，管段的化學(xué)成分符合ASME SA－213《無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》對TP304H鋼管及 GB／T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對07Cr19Ni10的要求。

圖2 爆口管宏觀形貌及取樣位置

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.3 力學(xué)性能測試

表2為管段取樣的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果，各取樣的室溫抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2和斷后延伸率A均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。參考 GB／T 5310—2017對07Cr19Ni10的高溫塑性規(guī)定可知，管段高溫力學(xué)性能也滿足規(guī)定。表3為管段取樣的維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果，各金相試樣取樣維氏硬度測試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)對相應(yīng)牌號的硬度要求。爆口位置取樣J3和J4硬度值相對直管段略高。

2.4 金相分析

圖3為爆口位置取樣金相檢驗(yàn)結(jié)果。J1（距離爆口一端約400 mm的直段取樣）各個(gè)區(qū)域顯微組織均為奧氏體+孿晶，晶界有較多的細(xì)小碳化物顆粒聚集，組織為輕度老化。內(nèi)壁氧化皮厚度約85 μm，內(nèi)外壁表面未見明顯的軋折等缺陷。J2（爆口一端取環(huán)狀試樣）宏觀上平行于爆口的縱向微裂紋微觀下均為沿晶開裂，裂紋內(nèi)部有明顯的氧化層，且裂紋附近基體中有大量的沿晶蠕變孔洞。裂紋側(cè)和對側(cè)基體金相組織均為奧氏體+孿晶，裂紋側(cè)基體中晶界碳化物顆粒尺寸顯著大于裂紋對側(cè)基體，表明裂紋側(cè)基體組織的老化程度相對另一側(cè)較重。J3（斷口截面取樣）近外壁側(cè)為沿晶開裂特征，外壁表面也有較多的沿晶微裂紋，內(nèi)部有較多的蠕變孔洞；靠近內(nèi)壁側(cè)斷口截面晶粒出現(xiàn)明顯的拉長變形特征，周邊也有大量的蠕變孔洞，為明顯的塑性撕裂。J4（爆口背側(cè)）金相組織為奧氏體+孿晶，晶界有少量的碳化物顆粒聚集，組織為輕度老化。

表2 拉伸性能測試結(jié)果

表3 硬度性能測試結(jié)果

圖3 金相取樣顯微組織

3 分析與討論

管段取樣的化學(xué)成分、力學(xué)性能及顯微組織等檢驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可排除材料本身不合格的因素。另外，距離爆口一端約400 mm的直段取樣的金相組織為奧氏體+孿晶，組織為輕度老化，內(nèi)外壁表面未見明顯的軋折等缺陷。因此，管段因長時(shí)超溫或內(nèi)外壁表面存在缺陷造成爆管的可能性也可基本排除［2］。

主爆口呈現(xiàn)較大的塑性變形，開口最大處有明顯的減薄，斷面為粗糙的顆粒狀鈍邊特征；近爆口處管段有輕微脹粗，距離爆口稍遠(yuǎn)處則無明顯脹粗或減??；爆口的兩側(cè)外壁還有較多的平行于爆口的縱向裂紋，宏觀上表現(xiàn)為過熱特征［3］。這些平行于爆口的縱向微裂紋微觀下均為沿晶開裂，且裂紋附近基體中有大量的沿晶蠕變孔洞。斷口截面近外壁側(cè)為沿晶開裂，近內(nèi)壁側(cè)的晶粒出現(xiàn)明顯的拉長變形特征，周邊基體也有大量的蠕變孔洞，為明顯的塑性撕裂［4］，微觀上也具有過熱爆口的典型特征。另外，裂紋側(cè)基體組織的老化程度相對裂紋對側(cè)較重。表明管段在超溫過程中加速了碳化物的沿晶析出，造成爆口側(cè)組織老化［5］。

本次取樣檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，管段內(nèi)壁氧化皮并無明顯脫落，且現(xiàn)場氧化皮檢測時(shí)也未發(fā)現(xiàn)氧化皮堆積的跡象，因此可排除氧化皮堆積堵管的可能。此外，經(jīng)電廠反饋，在此次停爐期間，該管系并未開展檢修工作，因此也可排除因異物進(jìn)入造成堵管的可能。末級過熱器溫度測點(diǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，管段并未出現(xiàn)大幅度超溫，因此也可排除煙溫異常的因素。

爆口位置位于前屏入口段距離底部彎頭約3.9 m處，若彎頭段出現(xiàn)堵塞，則蒸汽入口段由于氣流阻滯將無法帶走管段多余熱量，導(dǎo)致受熱面金屬壁溫升高。根據(jù)運(yùn)行情況記錄，2020年1月25日發(fā)生鍋爐上水，末級過熱器壁溫17℃至94℃，隨后暫不開機(jī)的情況，在鍋爐隨后冷卻的過程中容易使受熱面底部U型彎頭造成積水。在U型彎出現(xiàn)堵塞時(shí)，安裝在末級過熱器大包內(nèi)出口的溫度測點(diǎn)無法反映出過熱器U彎入口側(cè)管壁的實(shí)際壁溫，因此不能表明爆口所在位置不存在超溫的情況。同時(shí)，機(jī)組在啟動過程中升溫過快，在機(jī)組負(fù)荷較低的情況下汽包與過熱器出口壓差小，不利于鍋爐受熱面中的汽水循環(huán)。

此次爆管發(fā)生在鍋爐啟機(jī)過程中，為超溫過熱爆管，爆管位置在入口段U型彎頭附近，從爆管時(shí)間特征、爆口性質(zhì)和爆管位置特征來看，與水塞引起的爆管相吻合［6］。因此，分析認(rèn)為末級過熱器泄漏為水塞引起的過熱爆管。

4 結(jié)論及建議

通過理化性能檢驗(yàn)結(jié)果及分析，判定本次爆管原因主要是鍋爐啟動過程中過熱器底部彎頭發(fā)生水塞現(xiàn)象，管內(nèi)蒸汽流動受阻，從而引起管段超溫過熱爆管。

建議加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行管理，嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定啟動鍋爐，防止升溫升壓速度過快，或適當(dāng)延長鍋爐啟動時(shí)間，防止受熱面管積水造成水塞。鍋爐啟動初期，也可采用對空排汽或開大旁路閥門的方式，加大過熱器進(jìn)、出口壓差，使過熱器管內(nèi)蒸汽流量增加，將積水蒸發(fā)排除。鍋爐停爐后，進(jìn)行鍋爐排汽及疏放水，并利用停爐后的余熱烘干受熱面內(nèi)的積水。