某亞臨界機組鍋爐分隔屏過熱器爆管原因

龔秋文, 劉課秀, 馬 括, 封小亮

(廣州特種承壓設備檢測研究院, 廣州 510663)

隨著國內經濟的快速發展和發電機組質量標準的日益提高，機組的穩定運行成為一項基本要求。爆管事故的發生不僅使設備檢修工作量和檢修費用大大增加，而且嚴重影響了鍋爐機組的安全穩定運行，有時甚至發生人員傷亡和設備嚴重損壞事故[1]。目前，鍋爐四管泄漏仍是發電機組非計劃停運的重要原因之一[2]。研究分析電廠鍋爐分隔屏過熱器爆管原因并給出相關預防建議，對于防范過熱器爆管，避免非計劃停運有重要的意義。

發生爆管的亞臨界鍋爐型號為SG-1100/17.5-M739，機組于2010年投入使用，發生爆管時機組負荷為248 MW，供熱流量為 209 t/h，主蒸汽壓力為16.1 MPa，主蒸汽流量為910.9 t/h。過熱器管規格為51 mm×6.5 mm(外徑×壁厚)，材料為12Cr1MoVG鋼。12Cr1MoVG鋼是一種常見的珠光體型熱強鋼[3]，具有組織結構穩定、綜合力學性能優良等優點[4]，被廣泛應用于電站鍋爐集箱、管道及受熱面管子的制造，標準TSG 11—2020 《鍋爐安全技術規程》規定12Cr1MoVG鋼適用于金屬壁溫不高于580 ℃的受熱面管子，以及使用溫度不高于565 ℃的集箱、管道等。爆管位置為從爐左往爐右數第2大屏、從爐前往爐后數第3小屏最內側彎管處，該爆管部位為過熱器管第1泄漏點，該爐左右兩側均裝有長吹灰器，從爐左往爐右數第2大屏、從爐前往爐后數第4小屏同一標高位置也存在吹損情況，分隔屏過熱器管結構如圖1所示。

圖1 分隔屏過熱器管結構示意

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

從爐左往爐右數第2大屏、從爐前往爐后數第4小屏過熱器管的宏觀形貌如圖2所示。

圖2 從爐左往爐右數第2大屏、從爐前往爐后數第4小屏過熱器管的宏觀形貌

泄漏的過熱器管為彎管及兩側各約1 m長的鋼管，鋼管外壁可見3處明顯損傷缺陷，其中爆口位于彎管位置上方焊縫往上位置，爆口處沿鋼管縱向撕裂，爆口長度約為220 mm，爆口最大寬度約為45 mm，彎管至爆口上方長約450 mm、寬約40 mm的表面呈磨平狀，可見兩側爆口均明顯減薄，爆口張口最大位置一側呈略微外翻狀態，可判斷該處為啟裂位置，鋼管內、外壁表面均未見明顯腐蝕、結焦、積鹽等異常。爆裂的過熱器管整體及局部宏觀形貌如圖3所示。過熱器管對接焊縫局部明顯減薄，但較兩側母材則略微凸出。1#損傷部位與爆口減薄面朝向一致，表面接近磨平狀；2#損傷部位位于U型彎管外弧側，表面可見明顯機械劃傷，整體接近平面狀。對過熱器管進一步制取試樣進行分析，取樣位置如圖4所示。

圖3 爆裂的過熱器管整體及局部宏觀形貌

圖4 過熱器管取樣位置

1.2 壁厚測量

依據標準GB/T 11344—2021 《無損檢測 超聲測厚》，采用型號為DM5E的超聲測厚儀對過熱器管進行壁厚測量，可見爆口所在縱向局部接近磨平區域壁厚嚴重減薄，實測最小壁厚為1.40 mm，磨平管段其余側壁厚仍保持為6.5 mm， 1#損傷處表現為輕微減薄， 2#損傷處未見明顯減薄，爆裂的過熱器管壁厚測量結果如圖5所示。

圖5 爆裂的過熱器管壁厚測量結果

1.3 化學成分分析

在爆裂的過熱器管上制取試樣，采用ARL4460型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示，可見過熱器管的化學成分均符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG鋼的要求。

表1 過熱器管的化學成分分析結果 %

1.4 拉伸試驗

在過熱器爆管上制取兩個縱向弧形拉伸試樣，試樣平行段寬度為10 mm，按照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，采用DNS300型萬能試驗機進行拉伸試驗，試驗溫度為24 ℃，結果均符合GB/T 5310—2017對12Cr1MoVG鋼的要求，具體試驗結果如表2所示。

表2 爆管試樣的室溫拉伸試驗結果

1.5 硬度測試

在爆口處橫截面截取試樣，按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用DuraScan-70型硬度計進行維氏硬度測試，結果如表3所示，結果無明顯異常。

表3 爆口處試樣的硬度測試結果 HV

1.6 金相檢驗

在過熱器管爆口張口最大部位橫截面截取試樣，經體積分數為4%的硝酸乙醇溶液侵蝕后，用Zeiss Axiovert 200 MAT型光學顯微鏡進行觀察，依據標準DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗與評定技術導則》和DL/T 773—2016 《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》進行顯微組織分析。

過熱器管內壁無明顯腐蝕減薄，外壁磨平位置出現嚴重壁厚減薄，爆口處剩余金屬壁厚不足1 mm，爆口處晶粒無明顯變形，爆口各部位顯微組織形貌如圖6所示。過熱器管壁厚減薄位置外壁光滑且無明顯氧化產物覆蓋，過熱器管組織為鐵素體+貝氏體，球化級別為2.5級，過熱器管內、外壁均有深度約為0.3 mm的脫碳層。

1.7 掃描電鏡及能譜分析

在過熱器管爆口張口最大部位(圖4中的掃描電鏡及能譜分析位置1處)和減薄位置(掃描電鏡及能譜分析位置2處)截取試樣，置于掃描電鏡下觀察，結果如圖7所示。在位置1處發現斷口表面和外壁表面均覆蓋腐蝕產物及沉積物，無法看清表面形貌，采用體積分數為5%的鹽酸溶液清洗后，可見斷口具有韌窩特征，外壁表面可見明顯磨損痕跡[見圖7a)～7b)]。對位置2外壁減薄表面進行觀察，可見明顯的沖刷痕跡[見圖7c)～7d)]。

圖7 爆口處的SEM形貌

對清洗前的試樣外壁表面和斷口表面進行能譜分析，分析位置及結果如圖8所示，從分析結果可見，外壁表面(見譜圖1)主要元素為碳、氧、鈉、鎂、鋁、硅、硫、氯、鉀、鈣、鉻、鐵，斷口表面(見譜圖2)主要元素為碳、氧、鈉、鎂、鋁、硅、硫、磷、氯、鉀、鈣、鉻、鐵，說明表面主要為腐蝕產物和沉積物。

圖8 能譜分析位置及結果

2 綜合分析

過熱器管材料的化學成分和力學性能均無明顯異常。從宏觀觀察和壁厚測量結果可知：過熱器管爆管位置局部外壁接近磨平狀態，局部剩余壁厚小于2 mm，該管段管壁其余側壁厚無明顯減薄，過熱器管內壁無明顯腐蝕等異常，可見過熱器管局部出現了嚴重異常磨損減薄。過熱器管的斷口附近未發現明顯塑性變形，管徑未見明顯脹粗，無明顯短時過熱或長時過熱特征。分隔屏過熱器位于2#鍋爐前爐膛正上方，盡管受爐膛內火焰直接輻射，其熱負荷比較高[5]，但停機前未發現管壁超溫。

由金相檢驗結果可知：過熱器管組織為鐵素體+貝氏體，球化級別為2.5級，爆口處晶粒無明顯變形。過熱器管材料的化學成分和力學性能均無明顯異常，表明該分隔屏過熱器管的泄漏并不是材料不合格或老化[6]引起的。過熱器管減薄位置外壁無明顯氧化產物覆蓋，表明該位置長期受磨損作用。采用體積分數為5%的鹽酸溶液清洗斷口后，用掃描電鏡觀察發現斷口具有韌窩形貌特征，外壁表面可見明顯沖刷磨損痕跡，表明爆口局部接近磨平區域為沖刷磨損所致。

過熱器管爆管泄漏位置為從爐左往爐右數第2大屏、從爐前往爐后數第3小屏最內側彎管位置，正常情況下該位置不易受到煙氣局部嚴重沖刷。過熱器管外壁存在明顯磨損痕跡，且過熱器管爆裂處嚴重減薄集中在小區域，磨平區域管段其余側壁厚接近原壁厚，為6.5 mm，可見過熱器管外壁局部受到集中流體的強烈沖刷磨損。爆裂過熱器管所在標高位置，爐左右兩側均布置有吹灰器，且從爐左往爐右數第2大屏、從爐前往爐后數第4小屏同一標高位置過熱器管也存在局部磨損情況。通過查閱鍋爐資料，可以計算出壁厚不應小于4.20 mm，而爆裂處實測剩余壁厚最小值為1.40 mm。經分析可得出：部分管段母材存在減薄現象，不滿足強度使用要求，壁厚的減薄會影響受熱面管的強度[7]，很多受熱面管爆管都是由于強度不足造成的。

綜上分析，吹灰蒸汽及氣流夾帶的雜質等引起過熱器管局部嚴重沖刷減薄，剩余壁厚小于2 mm，從而導致過熱器管吹損減薄部位承壓能力不足，甚至發生爆管泄漏。

3 結論與建議

該鍋爐分隔屏過熱器管受到吹灰蒸汽等沖刷，使過熱器管局部出現了嚴重的沖刷磨損減薄，管子強度不夠、承壓能力不足，最終導致過熱器管在運行時發生爆裂泄漏。

建議嚴格按照DL/T 939—2016 《火力發電廠鍋爐受熱面管監督技術導則》等要求對分隔屏過熱器進行檢查，檢查過熱器管附近吹灰器是否存在卡澀等運行異常情況；確認吹灰器的布置、吹灰角度、吹灰頻次和壓力的設置等是否合理，必要時進行合理調整；加強對分隔屏過熱器管的防磨、防爆檢查，特別要對出列或位置特殊、容易吹損的過熱器管加防磨瓦防護，對吹灰器輻射區域的過熱器管進行超聲測厚，對磨損或吹損嚴重的過熱器管進行更換。