某電廠Super304H鋼鍋爐高溫再熱器爆管分析

馮紅武，梅云平，田 澤，葉建鋒

（1.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

火力發電廠再熱器的作用是將從汽輪機中出來的水蒸氣加熱成過熱蒸汽的加熱器，再熱器進一步提高了電廠循環的熱效率，并使汽輪機末級葉片的蒸汽溫度控制在允許的范圍內［1-3］。再熱器材質一般選用12Cr1MoV、T23、T91、TP304、TP347等合金鋼［4-13］。

Super304H 鋼是在TP304H 的基礎上加入適量阻止奧氏體晶粒長大的Cu、Nb、N等元素［14-16］，得到較細的晶粒尺寸，同時在服役時產生微細彌散、沉淀于奧氏體內的富銅相，并與其互相密合，從而達到高溫強度以及優良的抗腐蝕性能［17-19］。Super304H 鋼主要用于超（超）臨界鍋爐的過熱器和再熱器［20-24］。

近年來，高溫再熱器爆管現象時有發生［25-32］。本文對爆管爆口處、爆口附近、爆口遠離處（圖1（a）紅色箭頭所指部位）進行試驗分析，并選該爆管相鄰管進行金相組織對比，查明了某電廠Super304H鋼鍋爐高溫再熱器爆管原因，對電廠管道的檢修及金屬監督起到參考作用。

1 概況

某電廠6號鍋爐高溫再熱器第63屏第4根管發生爆管，爆口的現場形狀如圖1（a）所示，爆口呈喇叭狀，長約200 mm，寬90 mm。高溫再熱器管規格為Φ57 mm×4 mm，材質為SA-213S30432，即Super304H。

2 試驗部分

2.1 宏觀檢查

對爆管爆口區域進行宏觀檢查，圖1（b）為爆口截取的小塊試樣，可以看出爆口處覆蓋了一層氧化皮，爆口有少量的蠕變裂紋；圖1（c）為爆口截取樣品的內壁，可以看到有平行于再熱管軸向的蠕變裂紋。對爆口邊沿及遠離爆口處管壁進行測厚，結果如圖2所示，爆口部位管壁有減薄，遠離爆口處管壁厚度基本未變化。

圖1 再熱器管爆口圖Fig.1 Reheater tube cracking-off

圖2 高溫再熱管壁厚Fig.2 Wall thickness of high temperature reheat tube

2.2 光譜分析

對爆管爆口處、爆口附近以及遠離爆口處（圖1（a）紅色箭頭所指部位）分別進行光譜分析，結果如表1所示，可見，高溫再熱器管的化學成分符合標準《ASME SA-213鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》中S30432的要求以及《GB/T 5310-2017 高壓鍋爐用無縫鋼管》中牌號0Cr18Ni9NbCu3BN要求。

表1 爆管光譜分析結果Table 1 The result of spectrum analysis for tube explosion

2.3 硬度測量

對爆管爆口處、爆口附近處、爆口遠離處進行硬度測量，結果如表2所示，爆口處硬度稍高于附近區域及遠離區域，3 處位置的硬度均在《ASME SA-213 鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》及《GB/T 5310-2017 高壓鍋爐用無縫鋼管》中牌號0Cr18Ni9NbCu3BN要求的范圍內。

表2 硬度測量結果（單位：HBW）Table 2 Results of hardness testing（Unit:HBW）

2.4 硬度與強度換算

根據《GB/T 1172-1999 黑色金屬硬度及強度換算值》，爆口處、爆口附近、爆口遠離處對應的強度分別為639 MPa、576 MPa、576 MPa，而ASTM A213 中要求Super304H的強度高于590 MPa，實際檢測的管道強度偏低，說明再熱器管長期在高溫下運行，強度降低。

2.5 金相分析

對爆管爆口裂紋尖端處、爆管爆口處、爆口附近、遠離爆口處分別進行金相分析，結果如圖3所示。圖3（a）為未腐蝕的裂紋尖端圖，可以看出，再熱器管未發現夾雜物，裂紋呈人字形發展；圖3（b）可以看出，裂紋以穿晶的方式開裂；圖3（c）可以看出，爆管爆口處管道有大量的蠕變孔洞；圖3（d）、圖3（e）、圖3（f）可以看出，爆口處、爆口附近、遠離爆口處再熱器管奧氏體晶粒粗大，晶界逐漸退化，有部分碳化物析出以及少量的蠕變孔洞；按照《DL/T 1422-2015 18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評級標準》，爆口處、爆口附近、遠離爆口處金相組織的老化級別均為4級。

為了更好分析爆管原因，從爆管相鄰的位置第64屏第4根管子、第63屏第5根管子、第63屏第6根管子取樣進行金相分析，結果如圖3（h）、圖3（i）、圖3（j）所示，奧氏體晶界清晰明顯，晶界有少量的碳化物析出，金相組織老化級別均為1級，即未老化。

圖3 高溫再熱器管金相圖譜Fig.3 Metallographic map of high temperature reheater tube

2.6 掃描電鏡分析

對爆管爆口處及裂紋尖端金相樣品進行掃描電鏡觀察，如圖4 所示，從爆管爆口邊緣處圖4（a）可以看出，有多條裂紋；爆管爆口中心處圖4（b）覆蓋了很厚的氧化物，可以看出有二次裂紋，無法辨別其斷裂的方式。從圖4（c）中可以看出，裂紋呈人字形擴展；圖4（d）可以看出，裂紋為穿晶開裂。

圖4 爆管爆口及裂紋電鏡圖Fig.4 Electron microscope of the opening and crack of the blasting tube

2.7 能譜分析

對裂紋處進行了能譜分析，如圖5（a）所示位置。5 個點的具體成分圖如圖5（b），裂紋位置Cr、Ni、Cu 等元素含量明顯比未開裂位置低，而非金屬元素C、O、Cl等元素含量明顯偏高，主要為氧化產物以及Cl-腐蝕產物［33］。

圖5 裂紋處EDS能譜圖Fig.5 EDS spectrum of crack

3 綜合分析

再熱器管的材質符合標準要求，爆管處管壁厚度略有減薄，硬度在標準要求范圍內，發生爆管的管子爆口處比該管子遠離爆口的位置硬度略高；爆管爆口處及該管未爆管段組織均老化嚴重，晶界已經不明顯，且有較大的析出物，而相鄰管道的金相組織未老化，晶界明顯；老化主要由超溫使用所引起，超溫是爆管的主要原因；同時爆口處存在化學腐蝕，主要以C、O元素為主的氧化腐蝕產物，以及Cl 元素為主的Cl-腐蝕產物，為爆管的重要原因。

4 結語

建議檢查再熱器管路徑進出口是否有異物堵塞管口，必要時可用內窺鏡查看；同時檢修時加大對爆管整個管道路徑的排查，發現硬度異常的情況，及時進行金相核查，對于老化嚴重的管道予以更換；并對水質進行嚴格檢測，控制其含氧量及Cl-濃度。