630 MW超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器管爆管原因

楊 平, 張 健

(1.皖能合肥發(fā)電有限公司， 合肥 230041；2.安徽新力電業(yè)科技咨詢(xún)有限責(zé)任公司， 合肥 230601)

近年來(lái)，隨著高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組的建設(shè)，對(duì)所有金屬材料的力學(xué)性能有了更高的要求，超(超)臨界機(jī)組高溫過(guò)熱器管往往采用奧氏體不銹耐熱鋼，使用較多的是TP347H鋼[1-3]，但是該材料的鋼管長(zhǎng)時(shí)間在溫度超過(guò)570 ℃服役時(shí)易開(kāi)裂，導(dǎo)致鍋爐非計(jì)劃停運(yùn)[4-9]，因此TP347H不銹鋼逐漸被TP347HFG不銹鋼代替。通過(guò)對(duì)TP347HFG不銹鋼進(jìn)行特殊熱處理和熱加工可以得到更細(xì)的晶粒度等級(jí)，從而提高其抗蒸汽氧化性能。但是由于TP347HFG不銹鋼晶粒度等級(jí)高，易促進(jìn)σ相的析出，導(dǎo)致在服役過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)爆管失效等現(xiàn)象。某鍋爐型號(hào)為DG1900/25.4-II3，為超臨界單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)II型鍋爐。發(fā)生爆裂的管為該鍋爐的高溫過(guò)熱器管，位于擴(kuò)側(cè)向固側(cè)、爐前向爐后數(shù)第6屏第19根，距離頂棚集箱底部約為3.5 m。該管自投產(chǎn)至本次爆裂，已累計(jì)運(yùn)行約7萬(wàn)h，其設(shè)計(jì)服役壽命為20萬(wàn)h。爆裂管的材料為T(mén)P347HFG不銹鋼，規(guī)格為φ45 mm×9 mm。為找到該過(guò)熱器管的爆管原因，筆者對(duì)爆裂高溫過(guò)熱器管及附近管屏取樣進(jìn)行宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)及力學(xué)性能試驗(yàn)，以期減少爆管事故的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)爆裂高溫過(guò)熱器管進(jìn)行觀察，其宏觀形貌如圖1所示?？梢?jiàn)爆口呈喇叭狀，開(kāi)口幅度較大，為破口后撕裂所致，爆口邊緣粗鈍，爆口附近壁厚為8.2 mm，爆口對(duì)面壁厚為8.4 mm，沒(méi)有發(fā)生明顯減薄，爆管直徑為46.5 mm，脹粗率為3.3%(DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求奧氏體鋼脹粗率不超過(guò)4.5%)，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征，如圖1a)所示。爆管由于沖擊作用已經(jīng)垂落，如圖1b)所示。爆口下部被吹損，將爆口下部剖開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，爆管內(nèi)壁存在密集、較為平直且長(zhǎng)短不一的縱向裂紋，并附著氧化物；大部分爆管管段內(nèi)壁分布有縱向裂紋，隨距爆口距離的增大，內(nèi)壁縱裂紋的程度逐漸減輕，直至消失，此外，爆口附近管道的外壁也存在明顯的縱向裂紋，如圖1c)和圖1d)所示。查詢(xún)運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在同樣的煙溫場(chǎng)環(huán)境中，第6屏17～19管道壁溫較相鄰管道壁溫均偏高20 ℃以上，同時(shí)第19根管附近的管屏下部彎頭處沒(méi)有明顯的氧化皮堆積現(xiàn)象。

圖1 爆裂高溫過(guò)熱器管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of burst high temperaturesuperheater tube:a) blast hole; b) tube burst site;c) lower of burst tube; d) near the blast hole

1.2 化學(xué)成分分析

取爆裂的第19根管的端部，采用CMOS-Spark 8000型全定量光譜儀對(duì)爆裂管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)該高溫過(guò)熱器管符合ASME SA-213/SA-213M:2019SpecificationforSeamlessFerriticandAusteniticAlloy-SteelBoiler,Superheater,andHeat-ExchangerTubes對(duì)TP347HFG不銹鋼管化學(xué)成分的要求。

表1 爆裂管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of burst tube (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

根據(jù)DL/T 884-2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》的技術(shù)要求對(duì)該爆裂高溫過(guò)熱器管及附近管屏取樣并進(jìn)行金相檢驗(yàn),其中爆裂管在爆口附近、爆口對(duì)面及遠(yuǎn)離爆口處取樣，而附近管屏在管上部和下部取樣。試樣經(jīng)三氯化鐵和鹽酸的水溶液(FeCl3，HCl，H2O的體積比為1…2…4)浸蝕，然后分別置于MR3000型研究級(jí)倒置式光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。

爆裂管不同位置的顯微組織形貌如圖2所示，可見(jiàn)爆口附近顯微組織均為奧氏體，孿晶消失，晶粒度評(píng)級(jí)為9級(jí)，晶粒內(nèi)部存在少量的σ相，晶界上有較多粗化的σ相，呈鏈狀分布，且較多三叉晶界處存在粗大的σ相，老化程度為5級(jí)，根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向可知，爆裂管斷裂形式為沿晶斷裂，裂紋內(nèi)部被氧化物填充，且管道內(nèi)壁有氧化皮脫落現(xiàn)象，如圖2a)～b)所示。爆口對(duì)面和遠(yuǎn)離爆口處的顯微組織老化程度為5級(jí)，如圖2c)～f)所示。由于管爆裂后繼續(xù)帶漏運(yùn)行，可能導(dǎo)致此處管道嚴(yán)重超溫，加劇了顯微組織的老化。

圖2 爆裂(第19根)管不同位置的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of burst (the 19th) tube at different positions：a) near the blast hole at low magnification; b) near the blast hole at high magnification; c) opposite the blast hole at low magnification;d) opposite the blast hole at high magnification; e) away from the blast hole at low magnification; f) away from the blast hole at high magnification

對(duì)附近管屏第17，18，14根管在爆管(第19根)爆口位置同一水平的上部(爆管同一水平向上100 mm)及下部(距離上部6 000 mm)取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，第18根管的顯微組織形貌如圖3所示?？梢?jiàn)該管的顯微組織為奧氏體，孿晶消失，晶粒大小不均勻，管上部和下部?jī)?nèi)壁均有厚度約為110 μm的氧化皮，如圖3a)和3c)箭頭所示。晶粒內(nèi)部存在少量的σ相，晶界附近有較多的σ相偏聚，且有較多尺寸稍大的σ相，管上部老化程度為4級(jí)，管下部老化程度為3級(jí)。

圖3 第18根管不同位置的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the 18th tube at different positions：a) upper of tube at low magnification; b) upper of tube at high magnification; c) lower of tube at low magnification; d) lower of tube at high magnification

圖4為第17根管的顯微組織形貌，可見(jiàn)該管顯微組織為奧氏體，孿晶消失，晶粒度評(píng)級(jí)為9級(jí)，內(nèi)壁有厚度約為37 μm的氧化皮[如圖4a)箭頭所示]，晶內(nèi)存在少量的σ相，晶界上有較多粗化的σ相，其中一部分呈鏈狀分布，部分三叉晶界處存在粗大的σ相，管上部老化程度為4級(jí)，管下部老化程度為3級(jí)。

圖4 第17根管不同位置的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the 17th tube at different positions：a) upper of tube at low magnification; b) upper of tube at high magnification; c) lower of tube at low magnification;d) lower of tube at high magnification

圖5為第14根管的顯微組織形貌，可見(jiàn)該管的晶粒度評(píng)級(jí)為7級(jí)，晶粒內(nèi)部存在少量的σ相，晶界附近有較多的σ相偏聚，且有略多尺寸稍大的σ相，管上部和管下部老化程度均為3級(jí)。由上分析可知，第14，17，18，19根管的顯微組織均不滿足ASME SA-213/SA-213M:2019對(duì)TP347HFG不銹鋼管的技術(shù)要求。

圖5 第14根管不同位置的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the 14th tube at different positions： a) upper of tube at low magnification; b) upper of tube at high magnification; c) lower of tube at low magnification; d) lower of tube at high magnification

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求對(duì)爆管及附近管屏沿縱向分別截取尺寸為5 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣(由于材料厚度受限，取樣尺寸為標(biāo)準(zhǔn)試樣10 mm×10 mm×55 mm的換算結(jié)果)，采用JB-300C型半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)，在常溫(25 ℃)下對(duì)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。ASME SA-213/SA-213M：2019對(duì)于TP347HFG鋼管的沖擊性能沒(méi)有作要求，一般奧氏體不銹鋼在-196 ℃以上使用時(shí)可免做沖擊試驗(yàn)，但是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，管上部的沖擊吸收功均低于管下部的，且越靠近爆裂管(第19根)，沖擊吸收功逐漸降低。

圖6 不同管的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Impact test results of different tubes

根據(jù)ASME A370：2017StandardTestMethodsandDefinitionsforMechanicalTestingofSteelProducts的技術(shù)要求對(duì)爆管和附近管屏分別截取拉伸試樣，原始標(biāo)距為50 mm，截面積為5 mm×10 mm，然后根據(jù)ASTM E8/E8M：2016StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的技術(shù)要求，采用CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)試樣的拉伸性能均符合ASME SA-213/SA-213M:2019對(duì)TP347HFG鋼的要求(斷后伸長(zhǎng)率不小于35%，抗拉強(qiáng)度不小于515 MPa，屈服強(qiáng)度不小于205 MPa)，但是總體來(lái)說(shuō)，爆裂(第19根)管的力學(xué)性能要低于其他管的，且取樣管上部的力學(xué)性能低于下部的，此外越接近爆管，力學(xué)性能下降越明顯。

圖7 不同管的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Tensile test results of different tubes：a) elongation after fracture； b) tensile strength; c) yield strength

2 分析與討論

由金相檢驗(yàn)可知第17，18，19根管的顯微組織中晶界尤其是三叉晶界處含有較多粗化的σ相，呈鏈狀，下部組織的老化程度較上部的低一級(jí)，而第14根管上部和下部顯微組織中σ相較少。機(jī)組所有管道在同樣的煙溫場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)行，經(jīng)檢測(cè)，第6屏17～19管道壁溫為588.3 ℃，而其相鄰第14根管壁溫約為567.6 ℃，可見(jiàn)第6屏17～19管道服役溫度較相鄰管道高約20 ℃。通過(guò)查閱圖紙發(fā)現(xiàn)，管屏上部集箱內(nèi)設(shè)有節(jié)流孔，但此處安裝尺寸偏小，與設(shè)計(jì)圖紙不符，導(dǎo)致管屏內(nèi)水介質(zhì)流量偏小，冷卻效果差,造成管壁長(zhǎng)期在超溫的環(huán)境中服役，而TP347HFG奧氏體不銹鋼在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在晶界處析出σ相。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，在奧氏體不銹鋼中，晶粒越細(xì)，晶界越多，越容易形成σ相，而奧氏體不銹鋼的晶粒度對(duì)材料的高溫力學(xué)性能也有較大的影響，晶粒越細(xì)，材料的高溫蠕變性能和持久強(qiáng)度越低。σ 相屬于脆性相，硬而脆，一般呈鏈狀析出，隨著脆性相析出數(shù)量的增多， 材料的塑性會(huì)明顯降低，材料的脆性會(huì)明顯提高。TP347HFG鋼高溫過(guò)熱器管的晶粒細(xì)小，促進(jìn)了材料中 σ 相的析出，進(jìn)而導(dǎo)致了組織中蠕變孔洞的出現(xiàn)，使得TP347HFG鋼高溫過(guò)熱器管材料快速老化，高溫強(qiáng)度下降，最終發(fā)生爆管。

3 結(jié)論及建議

TP347HFG鋼高溫過(guò)熱器管發(fā)生了脆性斷裂。由于管屏上部集箱內(nèi)的節(jié)流孔尺寸偏小，與設(shè)計(jì)圖紙不符，導(dǎo)致管道內(nèi)水介質(zhì)流量偏小，造成管壁長(zhǎng)期在超溫環(huán)境中服役。而TP347HFG奧氏體不銹鋼在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在晶界處析出大量的σ 相，且細(xì)小的晶粒也會(huì)促進(jìn)σ相的生成，導(dǎo)致顯微組織快速老化，高溫強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致爆管。

建議該機(jī)組對(duì)高溫過(guò)熱器管上部的節(jié)流孔的安裝進(jìn)行全面檢查，減少爆管失效事故的發(fā)生。