某鍋爐屏式過熱器爆管失效分析

呂巖婷，李 軍，蔣 菲，孫賀斌，張 麗

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅蘭州 730070）

屏式過熱器是現(xiàn)代大型鍋爐過熱器受熱面的主要組成部分，通常布置在爐膛上部或爐膛出口煙窗處，既接受爐內(nèi)的直接輻射熱，又吸收煙氣的對流熱，可以承受高熱蒸汽溫度。在屏式過熱器發(fā)生爆管后，針對具體的爆管原因需要有不同的處理方法及預(yù)控措施，因此分析研究爆管原因具有實際意義。

1 無損檢測分析

本次分析的爆管屬于某公司超臨界發(fā)電機組中鍋爐屏式過熱器部分，截至此次屏式過熱器爆管，該鍋爐運行53094h，近一年共啟停6 次，最近一次發(fā)生在爆管前10d。屏式過熱器共32 屏，每屏28根管，爐膛內(nèi)部分外圈15 根為SA-213TP347H 管材，其他均為SA-213T91 管材。此次爆管具體位置在頂棚保溫大罩殼內(nèi)由爐右至爐左第11 個出口小集箱下方，從爐后至爐前第7 根管子頂棚套管上方約50mm 處，爆口距爐內(nèi)異種鋼焊口約180mm，規(guī)格為Ф38×7.5mm。

1.1 宏觀檢查

本次分析的帶有爆口的樣管長約300mm，如圖1 所示。爆口長度26mm，開口寬度5mm，爆口中心離樣管上端聯(lián)箱角焊縫邊緣69mm，爆口處橫截面兩個方向外徑分別為51.18mm（爆口方向）和47.20mm（垂直于爆口方向）。爆口處管子外周長（不包括中間開口部分）150mm，折算管子爆開前直徑為47.75mm，比規(guī)格尺寸Ф38×7.5mm 高出9.75mm，脹粗程度約25.66%。

圖1 結(jié)構(gòu)尺寸測量

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，爆口附近管徑有明顯脹粗，爆口呈薄唇型爆破，選取樣管爆口下端約55mm 無明顯脹粗處截面進行壁厚測量，以爆口處為0 點方向，順時針選取3、6、9、12 點，依次測量壁厚為7.70mm、7.40mm、7.10mm、7.38mm，壁厚存在一定減薄，但爆口邊緣處管壁減薄明顯，呈刀刃狀，表面氧化皮在爆口附近沿管子軸向開裂，在靠近角焊縫處局部存在沿管子周向開裂的現(xiàn)象。

1.2 材質(zhì)分析

對屏式過熱器爆口下端約47mm 處取環(huán)狀試樣進行光譜材質(zhì)成分分析，分析結(jié)果見表1：

表1 光譜材質(zhì)成分分析（質(zhì)量分數(shù)/%）

材質(zhì)分析結(jié)果顯示，屏式過熱器成分含量基本符合GB5310-2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中10Cr9Mo1VNbN 鋼的標準要求。

2 理化檢驗分析

2.1 硬度檢測

選取屏式過熱器爆口下端55mm 位置，截取圓環(huán)試樣，對其截面進行硬度檢測，硬度值分別為190.1HB、184.6HB,試驗結(jié)果表明屏式過熱器爆管處硬度符合DL/T438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標準中180-250HB 的要求。

2.2 拉伸試驗

對該屏式過熱器爆管樣品下端直管取樣150mm 進行拉伸試驗，因管樣長度受限，采用非標準試樣進行試驗，試驗結(jié)果見表2，抗拉強度滿足GB 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準要求，屈服強度略低于標準要求；因采用非標準短試樣測試，斷后伸長率結(jié)果僅供參考，不具有實際意義。

表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果

2.3 金相檢驗

選取屏式過熱器爆口上端裂紋尖端附近取樣，鑲嵌后進行金相組織分析，金相組織形貌（1000x）如圖2 所示。

圖2 金相組織形貌（1000×）

SA-213T91 的正常金相組織為回火馬氏體組織或帶有位向的回火索氏體組織。通過對取樣部分進行金相組織分析，發(fā)現(xiàn)馬氏體位向已完全消失，晶內(nèi)碳化物粒子減少，晶界碳化物粒子明顯增多，尺寸粗化，碳化物整體分布尚均勻，但沿與主應(yīng)力垂直方向有方向性聚集傾向，且碳化物在晶界上匯聚較明顯。組織老化評定為4-5 級，老化較為嚴重。爆口邊緣晶粒有拉伸變長的現(xiàn)象，說明管子斷裂前在環(huán)向產(chǎn)生明顯的塑性變形；裂紋尖端開口較寬，內(nèi)部及邊緣存在氧化物，尖端附近組織中也存在晶界的氧化物。

從外觀看，爆口附近管子內(nèi)外壁均存在已開裂的較厚氧化皮，如圖3 所示。

圖3 爆口附近內(nèi)外壁管氧化皮圖像

對管子爆口下部47mm 處管樣采用低倍顯微鏡進行氧化皮厚度測量，結(jié)果如圖4 所示，從測量結(jié)果看，外壁氧化皮厚度介于0.04-0.06mm 之間；內(nèi)壁氧化皮介于0.09-0.12mm 之間。

圖4 樣管氧化皮厚度直接測量

通過顯微鏡對爆口尖端金相樣品進行氧化皮厚度測量，經(jīng)測量，外壁氧化皮厚度介于0.12-0.14mm 之間；內(nèi)壁氧化皮介于0.31-0.32mm 之間。

兩種部位的試樣測量結(jié)果有一定差異，爆口部分內(nèi)外壁氧化皮較厚。

2.4 掃描電鏡斷口及斷裂面能譜分析

選取爆口中間部位取樣，斷口表面整體呈黑褐色，氧化嚴重。采用超聲波清洗后，對斷裂面裂紋邊緣進行斷口掃描電鏡觀察，斷面表面形貌如圖5 所示，可以看出斷口外壁表面覆蓋有較厚的氧化皮，且氧化皮存在多處開裂；靠近內(nèi)壁部分局部狹窄區(qū)域斷口表面粗糙，具有韌性斷口的特征；內(nèi)壁邊緣處斷口表面光滑，符合剪切唇特征。因斷口處表面氧化物無法去除，斷口的微觀形貌特征無法詳細觀察并做出判斷。但從爆口表面氧化嚴重的情況來看，爆口部位存在較長時間的高溫氧化現(xiàn)象。

圖5 斷口表面掃描電鏡分析圖像

電子掃描圖像選取斷口具有不同形貌特征的位置進行能譜分析，其中一處掃描位置如圖6 所示，對應(yīng)的能譜分析結(jié)果如圖7 所示。分析后發(fā)現(xiàn)，不同位置元素含量大致相同，且主要元素為O、Fe、Cr 等元素，可知斷口附近所含元素主要為材質(zhì)本身成分及附著的氧化皮，另外含有少量因斷口污染所帶入的Ca、Mg 等元素。

圖6 能譜分析位置

圖7 掃描點能譜分析結(jié)果

3 綜合分析

屏式過熱器爆管管樣化學(xué)成分分析、硬度檢測結(jié)果基本符合標準要求，拉伸試驗結(jié)果中屈服強度略低于標準規(guī)定值，抗拉強度符合要求；通過金相分析，發(fā)現(xiàn)爆口處組織馬氏體位向已消失，碳化物顆粒明顯粗大并向晶界聚集，組織老化較為嚴重，存在長期過熱現(xiàn)象。

另一方面，通過爆管處脹粗及爆口邊緣壁厚減薄程度，可以判斷樣管在爆裂前有明顯的塑性變形，結(jié)合該機組深度調(diào)峰及鍋爐短期內(nèi)頻繁啟停的情況，以及電廠技術(shù)文件中提供的爆管管段氧化物堆積磁性檢測中堵塞面積比約30%左右的信息，可判斷該屏式過熱器管存在內(nèi)壁氧化皮，因其下段的TP347H 管子內(nèi)壁氧化皮與管壁附著力較小，容易脫落。在頻繁啟停，溫度急劇變化的情況下，內(nèi)壁氧化皮大量脫落并在下部堆積，導(dǎo)致通流截面變小，介質(zhì)流速降低，使出口處管壁溫度大幅度升高，在短期內(nèi)超溫幅度較大導(dǎo)致材料強度下降引發(fā)爆管。

4 結(jié)論及建議

長期過熱導(dǎo)致的組織老化及氧化皮堆積造成的短期內(nèi)大幅超溫，是引起此次屏式過熱器爆管的主要原因。

建議使用單位調(diào)整燃燒并加強對屏式過熱器管排管壁溫度的測量與監(jiān)督，防止屏式過熱器局部區(qū)域出現(xiàn)超溫運行；同時加強對屏式過熱器管的監(jiān)督檢查，及時掌握管子氧化皮厚度及下部彎頭處的堆積情況，對堆積量超出標準要求的及時進行處理；盡可能減少機組啟停次數(shù)，控制好機組啟停過程中的升降溫速度，防止溫度突變造成氧化皮大量脫落。