某电厂锅炉末级过热器爆管原因分析

李 泽，俞 旷

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

0 引言

T23钢是在T22钢（2.25Cr-Mo）的基础上吸收了102钢的有点加以改进，通过降低C含量，以W元素替代部分Mo元素，并加入了Nb、V等元素来提高蠕变强度，同时加入微量B元素以提高淬透性，以获得完全的贝氏体组织，是一种高强度和高韧性的贝氏体耐热钢。目前T23钢管已经广泛引用于超（超）临界机组的水冷壁、过热器以及再热器[1]。

1 概述

某电厂#2号锅炉为SG-1913/25.4-M958型超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，自投产以来末级过热器已发生两次爆管，第一次爆管时间为2016年9月21日下午4时，爆管位置为末级过热器左起第8屏、前数第8根管子的迎流面，第二次爆管时间为2017年10月4日下午1时，爆管位置为末级过热器左起第36屏、前数第7根管子的迎流面，材质均为SA213-T23，规格为ϕ38.1mm×7.96mm。第二次爆管时已累计运行12072h。本文拟通过宏观检查、金相检验及拉伸试验对第二次爆管样品进行爆管原因分析。

2 试验方法与结果

2.1 宏观检查

截取爆管段，宏观形貌如图1（a）～（c）所示。爆裂口长约32mm，宽约5mm，位于弯头的外弧面，呈缝隙状，沿纵向开裂。爆口断面粗糙呈颗粒状，没有明显塑性变形，边缘呈钝边且不平整，表现为脆性断裂特征[2]。爆口附近有许多平行于破口的小裂纹，内外表面氧化皮较厚，氧化皮沿纵向开裂，部分氧化皮剥落，具有长时过热爆管的特征。

图1 爆管管段及爆口宏观形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the tube section and the burst

对爆管样品进行管径测量，测量结果见表1。爆口裂纹末端（上方）、爆口裂纹末端（下方）及爆口上方距弯头中心250mm处胀粗量C（%）均已超过标准要求。

表1 爆口附近管子外径测量结果Tab.1 Measurement results of tube outer diameter near the detonating surface

2.2 化学成分分析

将爆管样品的母材段取样，进行化学成分分析，结果表明，管样的化学成分基本符合ASME标准要求，详见表2。

表2 化学成分分析结果Tab.2 Results of Chemical composition analysis wt,%

2.3 机械性能测试

根据GB/T 228-2002《金属拉伸试验方法》，截取爆口上方管样，加工成全壁厚纵向弧形拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸试验。试验结果表明，其抗拉强度低于ASME标准技术要求，详见表3。拉伸试验中，由于爆口上方管段的下屈服点在拉伸曲线图上不明显，故未检测出下屈服强度。

表3 拉伸性能测试结果Tab.3 Results of tensile test

2.4 金相组织检查

截取爆口管子的横截面进行金相检查，截取位置为爆口边缘、爆口裂纹末端和爆口上方距爆口中心约600mm处，浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液。金相显微镜型号为OLYMPUS PME3-323UN，观察拍照结果见图2（a）～图2（f）。爆口边缘和爆口纵向末端附近有蠕变孔洞、孔洞链和微裂纹，见图2（a）、图2（b）。爆口边缘、爆口裂纹末端的金相组织均为铁素体+碳化物，碳化物沿晶界聚集成颗粒状，组织老化级别为5级，见图2（c）、图2（d）。爆口背面和离爆口中心约600mm处管子的金相组织为铁素体+贝氏体+碳化物，组织老化级别为4级，见图2（e）、图2（f）。

图2 爆管管段及爆口微观形貌Fig.2 Micromorphology of the tube section and the burst

2.5 分析与讨论

（1）从爆管的宏观检查结果看，断口粗糙呈颗粒状，没有明显塑性变形，属脆性断裂。爆口附近有许多平行于破口的小裂纹，管子内外表面氧化皮较厚，氧化皮沿纵向开裂，部分氧化皮剥落，具有典型的长时过热爆管特征。氧化皮的传热热阻较大，使得蒸汽和管壁的热交换受到阻碍，又加剧了管壁温度的升高及氧化过程，这将会导致管子的最终蠕变损伤加剧及过热爆管[3-4]。

（2）从金相检查结果来看，金相组织严重老化。T23材料的正常金相组织为回火贝氏体，而爆口边缘和爆口纵向末端的金相组织中组织均为铁素体+碳化物，碳化物沿晶界聚集成颗粒状，组织老化级别为5级。金相组织中发现有蠕变孔洞，这是在一定的温度和应力条件下形成的孔洞，很多蠕变孔洞聚集形成链状，产生微裂纹，微裂纹逐步沿着最有利的方向逐步扩展，最后导致整个管材断裂。由于弯头处有外弧切向最大拉应力的作用，更有利于蠕变孔洞的形核和长大，温度和应力的共同作用导致其在弯头处发生蠕变断裂。

（3）化学成分分析表明，管子材质符合标准要求，没有错用钢材。

（4）拉伸试验结果表明，爆口附近管段的抗拉强度Rm明显低于ASME标准要求，这可能是由于受检管材在长期超温超压工况下运行，金相组织老化严重，导致管材抗拉强度明显下降。

综上所述，该锅炉末级过热器管因长期超温运行，导致其蠕变速度加快，管径胀粗，材质老化，产生蠕变孔洞、蠕变微裂纹，微裂纹逐步扩展，最后导致整个管材断裂。

3 结论及建议

某电厂2号锅炉末级过热器管由于经受长期过热造成管子蠕变损伤严重，最终导致长时过热爆管。建议电厂调整运行参数，防止超温运行，加强对末过管屏的宏观检查和管径胀粗测量，在爆管附近增设壁温测点，加强对末过管壁温度的监控。

[1]金科，聂铭，范振宁，等．T23钢管材老化性能评估[J]．广东电力，2007，20(2)：44-47．Jin Ke， Nie Ming， Fan Zhenning， et al.Performance Evaluation of T23 Steel Tube Aging[J].Guangdong Elec⁃tric Power，2007，20（2）：44-47.

[2]王鹏．4号炉末级过热器爆管原因及“四管”爆漏的防范措施[J]．华北电力技术，2005，(12)：34-36．Wang Peng.Reason Analysis on Tube Rupture of Final Superheater of No.4 Boiler[J].North China Electric Pow⁃er，2005，(12)：34-36．

[3]肖国振，尹成武，朱平，等.超临界锅炉末级过热器T23管性能状态评估及监督管理[J]．锅炉技术，2013，44(1)：63-66．Xiao Guozhen，Yin Chengwu，Zhu Ping，et al.Perfor⁃mance state evaluation and supervision management of supercritical boiler T23 superheater tube[J].Boiler Tech⁃nology，2013，44(1)：63-66．

[4]赵慧传，孙标，杨红权，等.超临界600MW机组锅炉末级过热器管材服役现状分析及改造建议[J]．中国科技投资，2013，42(1)：1-4．Zhao Huichuan，Sun Biao，Yang Hongquan，et al.Cur⁃rent service situation and retrofitting advices for tubes on final superheater in supercritical boilers[J].Thermal Power Generation，2013，42(1)：1-4．