某660MW超超臨界電站鍋爐高溫再熱器爆管原因分析

東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 李永明 繆筱玲 段永一

大型電站鍋爐受熱面泄漏成為火電廠運行事故的主要因素，長期威脅著發電設備安全穩定，同時也給發電企業帶來較大經濟損失[1-2]。鍋爐受熱面長期在火焰、煙氣、飛灰等惡劣的環境介質中運行，造成爆管泄漏的因素較多，因此找出每次爆管真正的誘發因素，可以避免同類事故再次發生[3]。

華東地區某電廠2×660MW超超臨界機組，鍋爐為超超臨界參數變壓直流爐、一次再熱、前后墻對沖燃燒、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐，再熱出口汽溫603℃，壓力5.13MPa。截至機組運行65000h，2#鍋爐高溫再熱器出現爆管泄漏。為查明爆管原因，對樣管25-3（左起第25排從前往后數第3根，縮寫為25-3，以下雷同），26-1，26-2，29-7，進行取樣分析，圖1為樣管外觀形貌和其對應編號。其中，樣管25-3管子規格為Φ50.8×3.5，材質為SA-213TP310HCbN，其余3根樣管規格為Φ50.8×3.5，材質皆為SA-213TP347HFG。

圖1 樣管外觀形貌和其對應編號

1 宏觀檢查分析

樣管25-3爆口宏觀形貌如圖2所示，存在一處泄漏口，從形貌看屬于吹損減薄所致，爆口附近未見可見蠕變裂紋，對樣管上管子和滑動塊焊縫位置進行PT探傷，探傷結果為焊縫區可見疑似裂紋的線性顯示，縱向分布，如圖3所示。

圖2 樣管25-3爆口宏觀形

圖3 滑動塊焊縫位置裂紋顯示

樣管26-1爆口宏觀形貌如圖4所示，存在3處泄漏位置，1#和2#兩處泄漏口有明顯吹損痕跡；3#泄漏口為整個橫截面撕裂，從宏觀上觀察未見吹損痕跡，初步判斷為首爆位置。

圖4 26-1爆口宏觀形貌

樣管29-7爆口宏觀形貌如圖5所示，存在一處泄漏位置，從形貌看屬于吹損減薄所致。

圖5 29-7 爆口宏觀形貌

圖6 26-2爆口宏觀形貌

樣管26-2爆口宏觀形貌如圖6所示，泄漏口張口大，管壁從外壁開始減薄，實測壁厚最小為1.2mm，從形貌觀察可見，該泄漏口也為介質從外壁吹損減薄所致。

對4根樣管在端部取樣進行外徑和壁厚測量，按圖7中檢測示意圖藍色雙箭頭位置進行測量，每90°測量一個外徑值及壁厚值，結果見表1。測量結果表明，4根樣管的幾何尺寸滿足ASME SA-213標準的要求。

表1 樣管尺寸檢測結果

2 理化試驗

2.1 理化取樣位置說明

樣管取樣位置和具體檢驗項目見表2。

表2 樣管取樣位置和具體檢驗項目

2.2 化學成分分析

對4根樣管取樣，采用直讀光譜儀Spectrolab M 9對樣管進行金屬化學成分分析，試驗依據《ASTM A751鋼制品的化學分析方法、操作及術語》進行。試驗結果見表3、表4，通過金屬化學成分分析，管子的化學成分均滿足ASME SA-213 標準要求。因此，排除材質錯用導致的爆管。

2.3 力學性能試驗

對樣管25-3和26-2進行室溫和600℃拉伸試驗，對4根樣管進行硬度檢測，結果見表5、表6，檢測結果表明，管子的力學性能在運行65000h后依然滿足ASME SA-213標準要求，而且高溫屈服強度參照GB/T5310評判，均滿足要求。排除長期超溫降低管子可靠性的可能。

表3 SA-213TP310HCbN化學成分(質量分數)，%

表4 SA-213TP347HFG化學成分(質量分數)，%

表5 力學性能

表6 硬度檢測

2.4 SEM分析

對樣管25-3的PT探傷疑似裂紋的顯示區域打開進行掃描電鏡（SEM）分析，圖8為打開后裂紋斷口形貌特征。從斷口紋理可判斷裂紋是從滑動塊焊縫內側向外側擴展，滑動塊外側為最終瞬斷區；由于擴展區表面氧化嚴重，無法判斷裂紋擴展方式。對26-1取B斷口進行斷口分析，圖9為斷口B宏觀形貌及形貌特征，斷口B顯示滑動塊與管子的焊根部位裂紋明顯，裂紋從焊根部位一直延伸到管子內壁，在斷口表面氧化嚴重，經清洗后局部氧化皮脫落，可見近內壁斷面擴展區存在典型疲勞條紋特征，表明裂紋擴展過程經歷交變應力。

圖8 樣管25-3斷口A形貌及特征

2.5 綜合分析

宏觀監測和力學性能試驗顯示4根樣管尺寸和力學性能符合標準要求，無明顯管徑脹粗和壁厚減薄情況，因此可以判斷泄漏非超溫引起。宏觀特征顯示4根樣管存在多處漏點，除了26-1樣管的3#泄漏口，所有的泄漏口位置均有明顯的吹損痕跡（即減薄），可能為被動吹損造成。結合26-1樣管3#裂紋斷口分析可知，裂紋擴展區存在典型疲勞輝紋特征，說明裂紋擴展過程經歷了高頻交變應力的作用，且裂紋從焊根部位一直延伸到管子內壁。結合實際運行分析，高溫再熱器管子在運行過程中由于內外圈管子壁溫或材質不同引起管子之間存在一定的膨脹差，管子間的溫差過大，使管屏容易產生變形，管子與滑動塊之間是焊接固定，會限制管子之間的自由膨脹，當管子不能自由膨脹時，管子和滑動塊的根部將產生較大的應力。因此，在機組長期運行過程中，管子與滑動塊將受到拉應力和壓應力的交替作用，且管子和滑動塊存在應力集中點，連接焊縫極易產生裂紋，裂紋擴展并最終導致管子泄漏。

圖9 樣管25-3斷口B形貌及特征

綜上所述，樣管的宏觀形貌檢查、化學成分分析、力學性能檢測及掃描電鏡分析結果來看，樣管的化學成分、力學性能均滿足ASME SA-213標準中310HCbN和TP347HFG的鋼號要求。樣管26-1的3#泄漏口為原始漏口，高頻交變應力導致的高再滑動塊焊縫根部開裂是導致本次爆管泄漏的直接原因。除了樣管26-1的3#泄漏口，所有的泄漏口位置均有明顯的吹損痕跡（即減薄），為被動吹損造成。

建議電廠對其他滑動塊和鋼管焊接區域進行表面無損檢測以排除隱患，可對高溫再熱器與滑動塊結構進行改進優化處理，改善該部位的受力狀況，避免類似情況再次發生。