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.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅蘭州 730070）

屏式過熱器是現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，最近一次發生在爆管前10d。屏式過熱器共32 屏，每屏28根管，爐膛內部分外圈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，爆口距爐內異種鋼焊口約180mm，規格為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，比規格尺寸Ф38×7.5mm 高出9.75mm，脹粗程度約25.66%。

圖1 結構尺寸測量

宏觀檢查發現，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象。

1.2 材質分析

對屏式過熱器爆口下端約47mm 處取環狀試樣進行光譜材質成分分析，分析結果見表1：

表1 光譜材質成分分析（質量分數/%）

材質分析結果顯示，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,試驗結果表明屏式過熱器爆管處硬度符合DL/T438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》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，斷后伸長率結果僅供參考，不具有實際意義。

表2 力學性能試驗結果

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，發現馬氏體位向已完全消失，晶內碳化物粒子減少，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象，說明管子斷裂前在環向產生明顯的塑性變形；裂紋尖端開口較寬，內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，結果如圖4 所示，從測量結果看，外壁氧化皮厚度介于0.04-0.06mm 之間；內壁氧化皮介于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，經測量，外壁氧化皮厚度介于0.12-0.14mm 之間；內壁氧化皮介于0.31-0.32mm 之間。

兩種部位的試樣測量結果有一定差異，爆口部分內外壁氧化皮較厚。

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；靠近內壁部分局部狹窄區域斷口表面粗糙，具有韌性斷口的特征；內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，對應的能譜分析結果如圖7 所示。分析后發現，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 掃描點能譜分析結果

3 綜合分析

屏式過熱器爆管管樣化學成分分析、硬度檢測結果基本符合標準要求，拉伸試驗結果中屈服強度略低于標準規定值，抗拉強度符合要求；通過金相分析，發現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，結合該機組深度調峰及鍋爐短期內頻繁啟停的情況，以及電廠技術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壁氧化皮，因其下段的TP347H 管子內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，內壁氧化皮大量脫落并在下部堆積，導致通流截面變小，介質流速降低，使出口處管壁溫度大幅度升高，在短期內超溫幅度較大導致材料強度下降引發爆管。

4 結論及建議

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

建議使用單位調整燃燒并加強對屏式過熱器管排管壁溫度的測量與監督，防止屏式過熱器局部區域出現超溫運行；同時加強對屏式過熱器管的監督檢查，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，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。