T91钢管在超超临界压力锅炉中的应用

李洪涛，王海梅，魏玉忠

（华电国际邹县发电厂，邹城273522）

1 锅炉概况

某机组为国内首批1 000MW超超临界机组，于2006年投产，锅炉为超超临界压力变压运行燃煤本生型直流锅炉，Π型布置，单炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢架、悬吊结构。高温再热器出口联箱选用进口P91钢，与联箱连接管段选用国产T91耐热钢管（直径50．8mm、壁厚4mm），壁温报警值648℃。截至2011年11月机组累计运行3×104h。

2011年锅炉在检修中对高温再热器（简称高再）出口T91材质连接管进行蠕胀测量，发现胀粗现象，832根高再管子中约有200根管子存在胀粗，其中胀粗超过上限的管段有10根。T91钢管宏观检查外壁颜色发黑，有明显的氧化皮，局部氧化皮剥落［1－2］。

2 高再出口连接管性能评估

为全面了解高再出口T91钢连接管性能水平和组织状态，对服役管段随机割管进行性能评价（根据位置依次编号为1号～7号），为机组检修金属监督和设备改造提供技术依据。

2．1 样管宏观检验

依据DL／T 438—2009《火力发电厂金属技术监督规程》等标准，采用外观目视检查、管子外径、厚度检测等检验方法，对送检管进行宏观检验以及尺寸测量。取样管外壁有明显的氧化皮，呈黑色，胀粗率为1．02%、1．12%。依据 DL／T 438第9．3．12条规定：当T91管外径蠕变值大于1．2%时应及时予以更换。

2．2 样管力学性能试验

依据GB／T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》和GB／T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验》，在AG－IC岛津电子拉伸万能试验机上进行室温和高温拉伸试验，加载位移速率为2mm／min，条件屈服强度使用引伸计测定，采用弧形试样，保留试样原始表面状态。高温拉伸试验的温度为620℃（温度选取参考实际运行温度）。试验结果见表1及表2。

表1 T91室温拉伸试验结果

表2 T91高温（620℃）拉伸试验结果

由表1及表2可以看出：样管室温抗拉强度和屈服强度满足GB 5310对T91钢的要求，3号样管的室温抗拉强度低于GB 5310对10Cr9Mo1VNbN钢的要求。2号、3号、4号及5号样管室温抗拉强度和屈服强度低于制造厂家提供原始管数据；620℃下样管的屈服强度低于日产T91钢的屈服强度，2号、4号样管的抗拉强度低于日产T91钢的抗拉强度，1号、6号样管略高于日产T91钢的抗拉强度。

2．3 样管硬度检验

依据GB／T 4340—2009《金属维氏硬度试验第1部分试验方法》进行测量，1号～7号样管的硬度满足DL／T 438对T91钢的要求，相对原始管硬度值，取样材质硬度下降的趋势明显。

2．4 样管金相检验

依据DL／T 884—2004《火电厂金相检验与评定技术导则》对七组样管进行金相检验，在金相显微镜蔡司“Axiover”200MAT下观察。图1为5号基体氧化皮显微图片。

图1 5号样管内壁氧化皮

从检测结果看：1号～7号样管内、外壁都有较厚的氧化皮，内壁氧化皮厚度为74．77～328．66μm，组织为板条马氏体＋碳化物，碳化物在晶界析出。根据DL／T 884中关于T91钢的老化级别评定，老化级别为3～4级。

2．5 扫描电镜分析

利用扫描电镜对析出物及内壁氧化皮进行观察，组织为板条马氏体＋碳化物，部分碳化物在晶界析出。图2为5号样管基体图片。

图2 5号样管基体图片（1 000倍）

2．6 金属管壁当量运行温度计算

高温锅炉管内壁氧化皮的增长厚度与其在该段服役期内的当量金属温度有一定的对应关系。某段管子不管曾经在何种温度、何种应力条件下运行了多少时间，其寿命的损耗程度总可以等效于在某一固定的金属温度及特定的应力条件下服役了相同时间，这个等效的金属温度就称之为当量金属温度。当量金属温度可以按照美国及加拿大普遍采用的Laborelec经验公式计算，即：

式中：T为金属温度，℃；x为管子内壁氧化层厚度，mm；t为管子已运行时间，h，运行时间按照30 000h计算；a、b为特定材料常数。

按式（1）计算，样管的当量运行温度为612～623℃，见表3。

表3 当量温度计算

3 性能分析

根据T91的材料特性和设计、运行状况分析结果表明：样管经30 000h的运行后内壁有较厚的氧化皮，且材料的性能有所下降。根据氧化皮厚度计算的当量运行温度结果，样管的当量运行温度为553～623℃，与根据电厂提供的T91管实际运行温度为620℃相符。

T91管长期在此温度下运行，内壁容易生长大量的氧化皮，且性能下降速度较快。根据文献报道，T91的内壁氧化皮一般分为两层，内层为Fe较为致密的氧化层，外壁为Fe较为疏松的氧化层。当T91管使用温度超过600℃，或氧化皮厚度达到0．2～0．4mm时，氧化皮容易发生开裂和剥落。

4 评估结论及改造方案

T91管子高温下运行3×104h后，高再出口管材组织为板条马氏体＋碳化物，碳化物在晶界析出，根据DL／T 884中关于T91钢的老化级别评定，老化级别为3～4级，相对原始管，其材质硬度、强度下降趋势明显。当量运行温度计算表明：T91管的当量运行温度在612～630℃。此温度超出T91钢推荐使用的长时运行温度600℃。

国内首批1 000MW超超临界机组再热汽热端管道选用P91钢，对应的高再出口联箱及管接头也选用91类钢。机组运行实践证明：应用于再热器出口的管道选材等级偏低，特别是高再出口连接管，设计温度624℃，壁温报警温度设置最高达648℃，部分时间段（如低负荷区间）实际运行温度超过620℃。近年来投产的机组，对再热器热端管道材料进行了升级，选用了抗氧化性和高温性能更好的 T92／P92钢［3］。

高再联箱布置见图3。蒸汽经立式管屏加热进入高再出口分配集箱，再水平进入高再出口混合集箱。改造方案是将分配联箱和连接管材料升级为T92／P92钢，分配联箱与连接管管座焊缝、下部与管屏相连异种钢焊缝可在制造厂家完成，焊接和热处理质量得到保证，同时兼顾分配联箱材料升级改造一步到位，便于现场施工。改造方案见图4，粗黑色线条为更换部件。

图3 高再联箱布置示意图（单位：mm）

图4 高再出口联箱改造更换示意图（单位：mm）

5 结语

由上述分析可知：高再出口连接管设计时选用T91材料不能满足机组长期安全运行，所以应从源头解决锅炉受热面早期失效问题，确保选材的合理性。

高温过热器、屏式过热器、高温再热器出口连接管分布在炉膛以外，属于非受热面，材料等级一般低于炉膛内受热面。另外，受壁温报警值设置、锅炉燃烧变化、机组负荷变化等影响，连接管实际壁温存在超过设计温度或材料许用温度区间，造成材质提早老化。高温受热面金属监督检查往往较重视炉膛内部分高温段和立式管屏下弯头等薄弱区域，忽视了对出口连接管的监督，一些潜在隐患不能及早发现，容易造成管材失效爆管，因此应重视对高温受热面出口连接管的金属监督检查，检修时重点检查相应管段的胀粗和金相组织，定期割管检查其内壁氧化情况、组织和力学性能，及时发现设备隐患并加以预防，减少安全事故的发生。

［1］罗玉英，朱庆胜．超临界机组高温受热面氧化皮脱落分析与处理措施［J］．科技传播，2011（18）：68－69．

［2］黄颖．T91／P91钢管在电站锅炉上的应用［J］．发电设备，1998，12（3）：26－27，30，44．

［3］于滨，苗淑红．超临界锅炉氧化皮预防处理研究［J］．电力建设，2009，30（2）：101．