600MW電站鍋爐高溫過熱器管失效分析

國家電投集團河南電力有限公司開封發電分公司 海云飛 曹艷萍 華潤電力（錫林郭勒）有限公司 唐艷志

TP347H 鋼作為一種高碳含鈮型奧氏體耐熱鋼，是ASME 標準中的成熟鋼號，GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對應鋼號07Cr18Ni11Nb。與其他300系奧氏體鋼(TP304、TP321H 和TP316H 等)相比，TP347H 鋼具有更高的許用應力以及更高的蠕變斷裂強度。20世紀80年代初我國開始引進美國燃燒工程公司300MW 和600MW 機組汽包鍋爐制造技術，在鍋爐受熱面高溫段首次使用TP347H 鋼。鑒于TP347H 鋼優良的綜合性能，目前己被廣泛用于超(超)臨界機組過熱器、再熱器以及屏式過熱器的高溫段等高溫高壓部件。GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》要求進行固溶處理：熱軋（擠壓、擴）鋼管固溶溫度不低于1050℃，冷拔（軋）鋼管固溶溫度不低于1100℃，急冷，奧氏體晶粒度級別4～7級。

某600MW 超臨界機組鍋爐為DG1900/25.4-Ⅱ1型超臨界參數變壓直流本生爐，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、采用擋板調節再熱汽溫、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。高溫過熱器蛇形管屏位于折焰角上部，順流布置，沿爐寬方向布置了31屏，管排橫向節距S1=609.6mm，管子縱向節距S2=57mm，每屏由20根管子并聯繞制而成，入口、出口端上部最外圈管為Φ50.8mm×7/9mm，其余為Φ45mm×7/8.5mm，材料為T91；其余爐內受熱面管子材質均為TP347H，最外圈管子規格為Φ50.8mm×10/9mm，其余為Φ45mm×8.5mm。

2021年9 月，在正常運行期間鍋爐高溫過熱器發生了爆管，機組累積運行8.4萬小時。高溫過熱器爆管處為爐左數第8屏后數第2根距頂棚約7m處，見圖1所示。爆管處鋼管材質TP347H、規格Φ45mm×8.5mm。

圖1 高溫過熱器管排結構及爆管部位示意

1 檢查情況

1.1 宏觀檢查

宏觀爆口形貌見圖2。高溫過熱器爐左數第8屏后數第2根（以下簡稱8-2）爆口形態為開天窗式，爆口邊緣未見明顯減薄，為典型的厚唇開裂；從滑動塊相對位置看，爆口位于管子側面的迎煙側。爆口管段內壁存在密集的縱向溝槽現象，且沿縱向較為平直。爆口及附近管段外壁存在蒸汽沖刷特征，未見縱向溝槽，見圖3。

圖2 現場高溫過熱器爆口宏觀形貌

圖3 實驗室爆口宏觀形貌

現場對爆口管圈TP347H 管材采用游標卡尺進行脹粗測量，檢測部位及檢測結果見表1所示，其中每個檢測部位垂直測量兩個數據。檢測結果表明：爆口管不同區域均出現了脹粗現象，且越靠近爆口處脹粗越明顯；爆口管段上游緊鄰的跨焊縫后TP347H 管未見明顯脹粗；測量結果為負值區域實際管徑與設計管徑存在一定偏差。

表1 測量結果

1.2 成分分析

采用Niton XL3t980合金分析儀依據DL/T 991-2006《電力設備金屬光譜分析技術導則》對爆口管段、爆口上游相鄰跨焊縫管段進行主要合金元素含量檢測，檢測結果見表2。檢測結果符合標準要求。

表2 成分檢測結果（wt%）

1.3 硬度檢測

在爆口張口最大處、爆口下游約1m 處、爆口上游跨焊縫管段處的分別去橫截面試樣，在橫截面中心區域使用Wilson BH3000布氏硬度計依據GB/T231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進行布氏硬度檢測（載荷187.5kgf，2.5mm 鋼球），檢測位置及檢測結果如下：爆口張口最大處195，爆口下游約1m 處174、171、167，爆口上游跨焊縫管段161、164、156，ASME TP347H ≤192。從檢測結果可看出：爆口張口最大處硬度高于標準上限；所檢測其他部位硬度符合標準要求，爆口下游約1m 硬度明顯高于爆口上游跨焊縫管段。

1.4 金相組織分析

對爆口張口最大處、爆口下游約1m 處、爆口上游跨焊縫管段處的橫截面中心區域磨拋后，侵蝕劑為三氯化鐵鹽酸水溶液，使用Leica DMi8C 金相顯微鏡并依據DL/T884-2019《火電廠金相檢驗與評定技術導則》、GB/T6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》進行組織分析和晶粒度級別評定。爆口張口最大處：拋光態下爆口邊緣外壁、爆口斷面存在大量微裂紋及蠕變裂紋，見圖4、圖5。爆口內壁存在溝槽狀開口，見圖6、圖7。侵蝕后發現晶粒度級別9.5級，晶界、晶內存在大量σ 析出相，見圖8。爆口上游跨焊縫管段處（爆口上游約1.5米處，與爆口非同一根管段）：晶粒度級別6.5級，金相組織為奧氏體，見圖9。

圖4 拋光態爆口斷面微裂紋

圖5 侵蝕態爆口斷面微裂紋

圖6 拋光態內壁溝槽

圖7 侵蝕態內壁溝槽

圖8 爆口壁厚中間區域

圖9 爆口上游跨焊縫管段壁厚中心區域

2 分析與討論

2.1 宏觀失效特征及現場檢查情況

高溫過熱器的爆口為開天窗式爆口，典型的厚唇開裂，為脆性斷裂失效特征。通過測量，發現爆口及爆口附近的管段存在管徑脹粗特征，表明爆口管段已出現了明顯的蠕變損傷。現場對同一根管圈的蠕變應變量進行檢測，表明爆口管段存在較明顯的管徑脹粗。而距離爆口僅約1m 處的上游跨焊縫管段未出現脹粗現象，表明僅局部管段出現了管徑脹粗變化。按照DL/T438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》9.3.19 c）要求：奧氏體耐熱鋼管子蠕變應變大于4.5%需進行換管處理。高溫過熱器發生爆管的鋼管出現明顯的脹粗，并未超過標準的要求，因此可看出僅依靠管徑測量具有一定的局限性。

鍋爐高溫過熱器進口集箱特點，節流孔設置在進口集箱，現場對高溫過熱器進口集箱進行了內窺鏡檢查，未發現異物。爆管后對高溫過熱器所有底部彎頭進行氧化皮堆積檢測，未發現氧化皮堆積現象。現場高溫過熱器管排開展蠕變應變量測量普查，每層間隔2米、共六層。通過檢查發現：高溫過熱器左數第25屏外數第20根彎頭出口側直段管存在輕微脹粗現象，實測管徑45.50mm。金相檢測結果表明晶粒度8.5級，見圖10。

圖10 晶粒度8.5級

2.2 理化試驗結果分析

爆口管段合金成分符合標準要求，不存在錯用材料；爆口張口最大處硬度高于標準上限，主要與組織中大量析出相的析出強化有關，與爆管后的劇烈變形強化也有一定關系；爆口處、爆口管段晶粒度級別不符合標準要求，同時存在大量σ 相析出。作為對比的爆口上游跨焊縫管段金相組織未見異常；擴大檢查的管徑出現脹粗的管，晶粒度級別不符合標準要求。

2.3 綜合分析

包括受熱面內彎頭處堆積的氧化皮、節流孔及受熱面管內的異物往往是導致鍋爐受熱面過熱及爆管的直接原因。采用內窺鏡檢查、氧化皮堆積檢測等方式，排除了異物堵塞導致爆管的可能性。調取鍋爐歷史壁溫曲線，從2014年至今此鍋爐未出現明顯超溫情況。根據鍋爐受熱面選材特點結合以往過熱爆管的部位，如果高溫過熱器因氧化皮堆積或異物堵塞發生超溫爆管，將發生于緊鄰T91/TP347H異種鋼接頭上方的T91母材。基于此，排除因受熱面運行超溫導致爆管的可能性。

TP347H 奧氏體耐熱鋼由于具有良好的抗高溫氧化性能、蠕變性能、抗晶間腐蝕性能，且焊接及冷熱加工性能優良，己被廣泛地應用到電廠的維修及國內超臨界大容量電站鍋爐的制造，DL/T715-2015《火力發電廠金屬材料選用導則》推薦應用于煙氣側壁溫≤670℃受熱面。奧氏體不銹鋼其室溫下主要為奧氏體組織，在加熱或冷卻過程中均不發生固態相變，因此不能直接通過熱處理改變其晶粒，必須在制造過程中利用冷變形或冷變形后的再結晶來細化。對于正常工藝生產的TP347H 奧氏體不銹鋼管，GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對其晶粒度級別有明確的規定，即4～7級。

文獻[1]報道隨著時效時間的增加，TP347H 耐熱鋼基體中奧氏體晶粒尺寸無明顯變化。文獻[2]報道晶粒越細、晶界越多，越容易形成σ 相，其本身的脆性和所處位置決定了它是發生服役早期失效的最薄弱環節。σ 脆性相的產生是導致管樣塑性下降及室溫硬度升高的主要原因，σ 相存在的溫度范圍通常在520℃～820℃之間，含Cr 量愈高的不銹鋼，形成的σ 相愈多。

σ 相通常在晶界上析出，尤其在三叉晶界處，在很長時間的服役后也會在晶內析出。按照傳統金屬學理論，晶粒越細，越容易析出σ 相，同時越易產生高溫蠕變損傷。對于TP347H 管材內壁的縱向溝槽是塑性下降及蠕變損傷重要特征。文獻[3]中超臨界鍋爐高溫過熱器用TP347H 奧氏體不銹鋼管爆管案例，均發生在累計運行5萬小時，爆管情況與本案例類似，奧氏體不銹鋼管存在晶粒度過細的問題。

綜上，高溫過熱器TP347H 材質奧氏體不銹鋼管爆管機理為高溫蠕變；奧氏體晶粒度作為TP347H 關鍵性能參數，制造過程中與標準要求產生偏差，晶粒過于細小，促進了σ 相在晶界大量析出，高溫蠕變性能下降，在溫度、內壓因素共同作用下，壁溫水平高的部位發生爆管失效；通過對比，發現管徑發生脹粗（不超標）的管材存在晶粒度超標的情況，通過管徑測量可以進行快速初步篩查。處于不同壁溫處管材，管徑測量存在局限性，對于壁溫水平較低的區域存在漏檢風險。因此，對于已發生爆管的在役機組，奧氏體不銹鋼晶粒度超標缺陷的快速有效篩查手段亟待研究。