电站TP304H 钢末级过热器爆管原因分析

刘天佐，郭凯旋，武芯羽，刘献良，赖云亭

（1.华电国际电力股份有限公司技术服务分公司，山东 济南 250014；2.华电邹县发电有限公司，山东 济宁 273500；3.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

1 爆管情况

某电厂5号锅炉为亚临界、中间再热、自然循环、单炉膛、悬吊式平行双烟道倒U型燃煤汽包炉，于1997年1月投产。

2020年1月25日，锅炉上水，投入炉底加热39 h而未开机，期间末级过热器壁温17℃至94℃。2月 5日 22∶56， 锅炉点火。 2月 6 日 17∶28，5号炉“四管泄漏”报警发出。机组解列后检查发现末级过热器泄漏，爆口位置位于前屏入口段距离底部弯头约3.9 m处，如图1所示。末级过热器位于炉膛上部出口，沿炉宽布置37排，每排由13根管子组成。末级过热器管规格为57.15 mm×6.4 mm （直径×壁厚），材质为TP304H钢。

图1 爆口情况

2 理化检验

2.1 宏观检查

爆口管宏观照片如图2所示。爆口开口较大，宏观上呈现出较大的塑性变形，管段在爆裂中或爆裂后的冲击碰撞中出现严重的弯曲变形，部分爆口碎片已脱落。爆口一端（J2试样位置）有轻微胀粗；距离爆口约400 mm（J1试样位置）无明显胀粗或减薄；爆口开口最大处唇边壁厚约4.7 mm，有明显的减薄。爆口整体呈现出较明显的过热特征［1］。主爆口的两侧外壁有较多的平行于爆口的纵向裂纹，内外壁观察未见有明显的氧化皮脱落现象。

2.2 化学成分分析

化学成分分析结果如表1所示，管段的化学成分符合ASME SA－213《无缝铁素体和奥氏体合金钢管子》对TP304H钢管及 GB／T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对07Cr19Ni10的要求。

图2 爆口管宏观形貌及取样位置

表1 化学成分分析结果（质量分数） %

2.3 力学性能测试

表2为管段取样的拉伸性能试验结果，各取样的室温抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和断后延伸率A均满足标准要求。参考 GB／T 5310—2017对07Cr19Ni10的高温塑性规定可知，管段高温力学性能也满足规定。表3为管段取样的维氏硬度试验结果，各金相试样取样维氏硬度测试结果均符合标准对相应牌号的硬度要求。爆口位置取样J3和J4硬度值相对直管段略高。

2.4 金相分析

图3为爆口位置取样金相检验结果。J1（距离爆口一端约400 mm的直段取样）各个区域显微组织均为奥氏体+孪晶，晶界有较多的细小碳化物颗粒聚集，组织为轻度老化。内壁氧化皮厚度约85 μm，内外壁表面未见明显的轧折等缺陷。J2（爆口一端取环状试样）宏观上平行于爆口的纵向微裂纹微观下均为沿晶开裂，裂纹内部有明显的氧化层，且裂纹附近基体中有大量的沿晶蠕变孔洞。裂纹侧和对侧基体金相组织均为奥氏体+孪晶，裂纹侧基体中晶界碳化物颗粒尺寸显著大于裂纹对侧基体，表明裂纹侧基体组织的老化程度相对另一侧较重。J3（断口截面取样）近外壁侧为沿晶开裂特征，外壁表面也有较多的沿晶微裂纹，内部有较多的蠕变孔洞；靠近内壁侧断口截面晶粒出现明显的拉长变形特征，周边也有大量的蠕变孔洞，为明显的塑性撕裂。J4（爆口背侧）金相组织为奥氏体+孪晶，晶界有少量的碳化物颗粒聚集，组织为轻度老化。

表2 拉伸性能测试结果

表3 硬度性能测试结果

图3 金相取样显微组织

3 分析与讨论

管段取样的化学成分、力学性能及显微组织等检验结果均满足相关标准规定，可排除材料本身不合格的因素。另外，距离爆口一端约400 mm的直段取样的金相组织为奥氏体+孪晶，组织为轻度老化，内外壁表面未见明显的轧折等缺陷。因此，管段因长时超温或内外壁表面存在缺陷造成爆管的可能性也可基本排除［2］。

主爆口呈现较大的塑性变形，开口最大处有明显的减薄，断面为粗糙的颗粒状钝边特征；近爆口处管段有轻微胀粗，距离爆口稍远处则无明显胀粗或减薄；爆口的两侧外壁还有较多的平行于爆口的纵向裂纹，宏观上表现为过热特征［3］。这些平行于爆口的纵向微裂纹微观下均为沿晶开裂，且裂纹附近基体中有大量的沿晶蠕变孔洞。断口截面近外壁侧为沿晶开裂，近内壁侧的晶粒出现明显的拉长变形特征，周边基体也有大量的蠕变孔洞，为明显的塑性撕裂［4］，微观上也具有过热爆口的典型特征。另外，裂纹侧基体组织的老化程度相对裂纹对侧较重。表明管段在超温过程中加速了碳化物的沿晶析出，造成爆口侧组织老化［5］。

本次取样检验时发现，管段内壁氧化皮并无明显脱落，且现场氧化皮检测时也未发现氧化皮堆积的迹象，因此可排除氧化皮堆积堵管的可能。此外，经电厂反馈，在此次停炉期间，该管系并未开展检修工作，因此也可排除因异物进入造成堵管的可能。末级过热器温度测点监控数据显示，管段并未出现大幅度超温，因此也可排除烟温异常的因素。

爆口位置位于前屏入口段距离底部弯头约3.9 m处，若弯头段出现堵塞，则蒸汽入口段由于气流阻滞将无法带走管段多余热量，导致受热面金属壁温升高。根据运行情况记录，2020年1月25日发生锅炉上水，末级过热器壁温17℃至94℃，随后暂不开机的情况，在锅炉随后冷却的过程中容易使受热面底部U型弯头造成积水。在U型弯出现堵塞时，安装在末级过热器大包内出口的温度测点无法反映出过热器U弯入口侧管壁的实际壁温，因此不能表明爆口所在位置不存在超温的情况。同时，机组在启动过程中升温过快，在机组负荷较低的情况下汽包与过热器出口压差小，不利于锅炉受热面中的汽水循环。

此次爆管发生在锅炉启机过程中，为超温过热爆管，爆管位置在入口段U型弯头附近，从爆管时间特征、爆口性质和爆管位置特征来看，与水塞引起的爆管相吻合［6］。因此，分析认为末级过热器泄漏为水塞引起的过热爆管。

4 结论及建议

通过理化性能检验结果及分析，判定本次爆管原因主要是锅炉启动过程中过热器底部弯头发生水塞现象，管内蒸汽流动受阻，从而引起管段超温过热爆管。

建议加强锅炉运行管理，严格按照规程规定启动锅炉，防止升温升压速度过快，或适当延长锅炉启动时间，防止受热面管积水造成水塞。锅炉启动初期，也可采用对空排汽或开大旁路阀门的方式，加大过热器进、出口压差，使过热器管内蒸汽流量增加，将积水蒸发排除。锅炉停炉后，进行锅炉排汽及疏放水，并利用停炉后的余热烘干受热面内的积水。