超临界锅炉试运行期间屏式过热器爆管原因分析

王甲安，何桂宽，乔立捷，郭延军，宋忠孝

(1.华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030;2.西安交通大学，陕西 西安 71004)

0 引言

某电厂新建工程装设2台DG1950/25.4－Ⅱ8型600 MW超临界W形火焰燃烧锅炉，过热器出口蒸汽压力为25.8 MPa，蒸汽温度为572℃。其中，屏式过热器前、后布置2组，每组包括22排管屏，每屏由17根 U形管圈组成，有 12Cr1MoVG，T91和TP347HFG 3种材料。

#2机组在点火启动时发现前屏式过热器从左往右数第12屏从前往后数第17根管子发生爆管，爆管材料为T91，规格为 ø 45 mm ×7.5 mm;爆口位于材质T91与材质TP347HFG(规格为ø 45 mm×11 mm)异种钢焊口上方约50 mm处。停炉后，取该管(编号为#1)及原始管子(编号为#2)做相关材料检验分析。

1 宏观检查

过热器爆口呈喇叭形，爆口边缘较为锋利，爆口位置明显涨粗并沿纵向撕裂，爆口长度约45 mm，最宽处约30 mm，管壁厚度沿圆周方向至爆口边缘均匀减薄，呈现明显塑性变形，符合短时过热爆管特征［1］。爆口宏观形貌如图1所示。

图1 爆口宏观形貌图

2 化学成分及金相组织分析

对#1和#2管样进行了化学成分分析(见表1)，分析结果表明，材料主要成分符合ASME SA－213标准规定的T91成分要求，材料与设计材质相符。

取爆管管样爆口处、远离爆口约400mm处以及原始管样试样做金相组织分析，如图2、图3及图4所示。分析结果表明，原始管样的金相组织为回火马氏体，爆口处金相组织为贝氏体+铁素体，偏离了ASME SA－213T91标准规定的材料的典型金相组织。

表1 #1和#2管样化学成分分析结果 %

对#1管样爆口处以及#2原始管样进行了硬度检验，如图5所示。结果表明，原始管样的硬度符合ASME SA－213/SA－213M的要求，爆口处的硬度低于标准要求，可能是由于爆管管样金相组织发生了转变。

3 力学性能分析

图5 #1爆管爆口处和#2原始样管的硬度值

表2为#1和#2管样常温拉伸性能的试验结果。其中L1为爆管管样向火侧试样，L2为爆管管样背火侧试样，L3和L4为原始管样试样。试验结果表明，管样的拉伸强度满足标准ASME SA－213/SA－213M中对T91材料的要求，但爆管管样的屈服强度偏低。

4 内窥镜检查

现场用内窥镜对屏式过热器入口小集箱及低温过热器至屏式过热器之间的连接管进行了检查，发现在低温过热器至屏式过热器之间的连接管大管弯头上存在氧化皮状异物并有大量附着在内壁尚未脱落的氧化皮状附着物。对脱落的氧化皮状样品进行了外观形貌及尺寸检查。氧化皮状样品形貌为片状，形状不规则，一般长度方向及宽度方向尺寸为7～15 mm，最长可达25 mm，样品一侧(A侧)为红褐色，另一侧(B侧)为灰黑色。样品厚度达0.47～0.60 mm。

5 扫描电镜及能谱(EDS)分析

利用HITACHIS－4800型高分辨率扫描电子显微镜对氧化皮状样品进行了表面形貌分析，如图6、图7所示。从图中可以看出:A侧表面相对比较平整，存在颗粒状物;B侧表面存在大量裂纹，呈龟裂状，表面不平整，致密性差，在温度、交变应力的作用下很容易从基体上脱落［2－3］。

表2 抗拉强度检测结果

图8和图9是氧化皮状样品A侧和B侧的能谱(EDS)分析图。从分析结果来看，样品 A，B两侧都有很高的Fe元素和O元素含量，主要是Fe的氧化物;而且在A，B两侧都发现了少量的Cr元素的存在，表明Cr元素通过晶界等途径扩散到外侧表面。

6 试验结果分析

对原始管样及爆管管样进行宏观检查、化学成分分析、金相分析及力学性能检验，结果表明，管样的化学成分、金相组织、硬度及力学性能等均符合标准要求，爆管具有短时过热爆管特征。T91钢典型金相组织应为回火马氏体或回火索氏体。分析结果表明，爆管管样金相组织偏离正常组织，硬度略低于标准值，屈服强度不符合要求。分析认为，可能是由于发生了超温，达到了材料的相变温度，导致组织发生转变。

停炉后通过内窥镜对现场进行检查，发现在低温过热器至屏式过热器之间的连接管大管弯头上存在氧化皮状异物并有大量附着在内壁尚未脱落的氧化皮状附着物，此氧化皮较厚(在0.47 mm以上)，说明该氧化皮是由非奥氏体不锈钢产生的。对于运行时间较短的锅炉管，其内壁难以形成厚度为0.47 mm的氧化皮。可以推断，该氧化皮并非在运行时由蒸汽侧氧化形成的。既有可能是钢管出厂时自带的原生态氧化皮(钢管未进行“内镗外车”等机加工)，也有可能是设备制造企业在弯管及热处理过程中形成的次生氧化皮，此后进行的喷砂(丸)清理、化学清洗及蒸汽吹管等都没有清理干净。

7 结论

氧化皮与受热面金属管壁材料的热膨胀系数不同，当管壁金属温度发生变化时，由于金属内存在一定的热应力，有可能引起氧化皮剥落。在试运行期间，屏式过热器就多次发生爆管事故，主要原因可能是低温过热器至屏式过热器之间的连接管大管弯头上存在大量的原生态或次生态氧化皮，脱落后堵塞屏式过热器入口集箱节流孔或管子，造成管子介质流量减小及管子壁温上升，使管子在高温下的环向应力超过其材料本身强度而发生爆管。

［1］郑晓红.锅炉“四管”的失效机制研究与寿命预测［D］.杭州:浙江大学，2002.

［2］贾建民，陈吉刚，唐丽英，等.12X18H12T钢管蒸汽侧氧化皮及其剥落物的微观结构与形貌特征［J］.中国电机工程学报，2008，28(17):43 －48.

［3］Asteman H，Segerdahl K，Svensson J E，et al.The Influence of Water Vapor on the Corrosion of Chromia-forming Steel Materials［C］//High Temperature Corrosion and Protection of Materials 5.Switzerland:Materials Science Forum，2001:227－286.

［4］GB/T 10561—2005，钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法［S］.

［5］DL/T 438—2009，火力发电厂金属技术监督规程［S］.

［6］DL/T 884—2004，火电厂金相检验与评定技术导则［S］.

［7］DL/T 991—2006，电力设备金属光谱分析技术导则［S］.

［8］ASME SA －213/SA －213M—2008，Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic Alloy-Steel Boiler，Superheater，and Heat-exchange Tubes［S］.