火電廠鍋爐中溫再熱器爆管原因分析

王東

摘要：某電廠300 MW亞臨界機組中溫再熱器發生爆管，對其進行宏觀檢查、材質分析、金相分析、能譜分析和力學分析后，判斷該爆管事故是由于彎頭+存在過熱情況，使組織老化級別達到5級，力學性能低于標準要求，抗蠕變損傷的能力變差，進而在蒸汽內壓作用下形成蠕變裂紋并最終導致泄漏。

關鍵詞：中溫再熱器；爆管；過熱；蠕變裂紋

中圖分類號：TM621.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）35-0027-04

Cause Analysis of Tube Burst of Medium Temperature Reheater of Boiler in Thermal Power Plant

WANG Dong（China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Central South China Branch， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Explosion tube of medium temperature reheater in 300 MW subcritical unit of a power plant，through mac？ roscopic inspection， material analysis， metallographic analysis， energy spectrum analysis， and mechanical analysis， it is judged that the explosion tube accident is an overheating situation that should exist at the bend， so that the tissue aging level reaches 5 levels， mechanical properties are lower than standard， and the ability to resist creep damage is poor， and creep cracks are formed under the action of steam internal pressure and eventually lead to leakage.

Keywords： medium temperature reheater；explosion；overheating；creep cracks

某火力發電廠3號鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限公司制造的DGl025/18.2-Ⅱ6型亞臨界全鋼架、全懸吊結構燃煤鍋爐。2021年5月22日7點20分，3號機組負荷達到302 MW，運行人員觀察到鍋爐泄漏光子牌報警。就地檢查3號爐電梯九層乙側墻，發現爐膛人孔門附近有泄漏聲音。5月24日21點30分，機組冷卻后進入爐內檢查、發現中溫再熱器右數第5屏外數第2根管發生泄漏，右數第5屏外數第1、3根管被嚴重吹損。該鍋爐于2006年10月投產，至此次泄漏機組已累計運行約16.7萬h。

1宏觀檢查與分析

中溫再熱器泄漏點的具體位置如圖1所示。選取右數第5屏外數第2根管（首爆管）、外數第3根管和吹損第4屏外數第2根管進行實驗室分析，其材質為12Cr1 MoV，規格為Φ60 mm×4 mm。

如圖2所示，宏觀檢查右數第5屏外數第2根管，發現首爆口位于彎頭的迎煙側背弧處，裂紋開口較小，長約35 mm，寬約2 mm，附近存在多條平行的軸向小裂紋；管子外壁氧化皮較厚，且有輕微脹粗情況，外徑最大測量值為61.90 mm，蠕變應變為3.17%，已超過《火力發電廠金屬技術監督規程》（DL/T 438—2016）對低合金鋼受熱面管蠕變量的規定上限（2.5%）；在體式顯微鏡下觀察裂紋截面形貌，發現主裂紋起源于外壁并向內壁擴展，內部充滿氧化產物，主裂紋附近的管子內、外壁上均分布有軸向小裂紋。

2試驗分析

對右數第5屏外數第2根管（首爆管，試樣編號1）、外數第3根管（試樣編號2）和第4屏外數第2根管（試樣編號3）迎煙側分別取樣進行材質分析、金相分析及力學性能試驗。

2.1材質分析

光譜分析結果如表1所示，兩根中溫再熱器管的合金成分均符合標準要求。

2.2金相分析

對1號試樣進行金相檢驗，裂紋及附近組織的微觀形貌如圖3所示。主裂紋萌生于外壁，漸漸向內壁擴展，主裂紋附近的管子內、外壁均分布有小裂紋，裂紋均呈沿晶特征，為典型的蠕變裂紋；裂紋附近母材組織已明顯老化，珠光體區域形態已完全消失；組織為鐵素體加碳化物，粗大碳化物在晶界處呈球狀或鏈狀分布，依據《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》（DL/T 773—2016）評定組織球化級別已達到5級（嚴重球化）；管子內壁氧化皮厚度為592.97μm，已超過《火力發電廠鍋爐受熱面管監督技術導則》（DL/T 939—2016）中規定需進行評估或更換的上限（內壁500μm）。

2號試樣金相組織如圖4所示。彎頭母材組織中僅剩少量的珠光體區域痕跡，碳化物明顯聚集長大呈顆粒狀，部分碳化物在晶界上呈鏈狀分布，組織球化級別為4級（完全球化）；內壁氧化皮的厚度為322.86μm。綜合分析，2號試樣組織均未見異常。

3號試樣金相組織如圖5所示。彎頭母材組織中僅剩少量的珠光體區域痕跡，碳化物明顯聚集長大呈顆粒狀，部分碳化物在晶界上呈鏈狀分布，組織球化級別為4級（完全球化）；內壁氧化皮的厚度為367.91μm。綜合分析，3號試樣組織均未見異常。

2.3掃描電鏡及能譜分析

對1號試樣裂紋附近進行掃描電鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）檢驗和能譜分析（Energy Dispersive Spectrometer，EDS），結果如圖6所示。較多球狀或條狀碳化物在晶界處聚集，裂紋附近的母材晶界上均存在大量的蠕變孔洞，進一步驗證了該裂紋為蠕變裂紋。在耐熱鋼中，V元素一般起到沉淀強化作用，Mo元素一般起到固溶強化的作用，二者溶于基體均可提高鋼的蠕變強度。晶界碳化物中含有較多的Mo和V元素，基體中合金元素僅剩Cr元素，說明基體中的V和Mo元素已向晶界碳化物轉移，弱化了兩種元素的強化作用，使鋼的熱強性下降[1-2]。

2.4力學性能試驗

對1、2號試樣各區域進行室溫拉伸和布氏硬度檢驗，結果如表2所示。1號試樣的抗拉強度和布氏硬度值均已低于標準，2號試樣、3號試樣的檢驗結果均未見異常。

3原因分析

上述檢驗結果表明：主裂紋萌生于彎頭迎煙側外壁，漸漸向內壁擴展；主裂紋附近的管子內、外壁均分布有沿晶特征的小裂紋，較多球狀或條狀碳化物在晶界處聚集；裂紋附近的母材晶界上存在大量的蠕變孔洞，判定裂紋的性質為蠕變裂紋。

首爆管迎煙側的布氏硬度和抗拉強度均已低于標準，組織老化級別達到5級，基體內V、Mo元素向晶界碳化物轉移，使鋼的抗蠕變損傷能力降低[3]。吹損管子的組織老化級別為4級，強度和硬度值均符合標準要求。因此，首爆管應存在過熱情況，導致彎頭組織老化、力學性能劣化，內外管壁氧化皮快速形成和增厚，從而造成壁厚嚴重減薄。較厚的氧化皮導致管子的換熱能力降低[4]，加上管子惡化，最終在蒸汽內壓作用下，晶界上先產生蠕變孔洞，隨著蠕變孔洞的聚合、長大并連接為鏈狀，形成蠕變裂紋，最終發生開裂爆管[5-6]。

4結語

經分析，3號爐中溫再熱器泄漏原因為：彎頭應存在過熱情況，使組織老化級別達到5級，力學性能低于標準要求，抗蠕變損傷的能力變差，在蒸汽內壓作用下形成蠕變裂紋并最終導致泄漏。建議一方面加強運行管理，嚴格控制超溫超壓運行，特別是要嚴格控制長時間的超溫和高幅度的超溫、超壓運行；另一方面對首爆管附近的管屏割管進行擴大檢查，硬度、強度低于標準或組織老化達到5級的部分應進行更換。

參考文獻：

[1]張而耕，童遂放，王瓊琦，等.12Cr1MoV珠光體耐熱鋼長期服役中碳化物的變化及對性能的影響[J].機械工程材料，2009（9）：28-32.

[2]梁秀蘭，有移亮，張崢.12Cr1MoV鍋爐過熱器管長期過熱開裂原因分析[J].機械工程學報，2014（8）：81-85.

[3]江范清，胡文龍，奚杰峰.12Cr1MoV鋼末級過熱管失效分析[J].機械工程學報，2014（8）：81-85.

[4]劉麗梅，杜雙明，蔡文河.鍋爐對流過熱器爆管原因分析[J].華北電力技術，2012（10）：63-64.

[5]趙煒煒，彭以超，嚴小華.某電廠125 MW機組低溫再熱器泄漏分析[J].特種設備安全技術，2014（7）：6-9.

[6]丁勇能，馬春江，郭可偉.鍋爐高溫對流過熱器爆管原因分析及處理對策[J].電力科學與工程，2009（1）：51-53.