某电厂锅炉高温过热器管泄漏原因

张鸿武, 杨东旭, 岳增武, 邵明星

(1.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司, 济南 250003；2.国网山东省电力公司电力科学研究院, 济南 250003)

12Cr2MoWVTiB钢是低碳、低合金贝氏体型耐热钢，具有优良的力学性能、工艺性能及抗氧化性能，其原始显微组织为粒状贝氏体，主要用于壁温小于600 ℃的亚临界锅炉过热器管、再热器管及其他耐热部件[1]。耐热钢在高温高压下长期运行，会发生老化现象，如果运行工况恶化，则可能提前失效，严重影响机组的安全。据粗略统计, 锅炉4管(锅炉水冷壁、过热器、再热器和省煤器)泄漏事故约占国内锅炉事故的2/3,是影响火电机组安全运行的最主要因素之一[2-6]。

某电厂一台SG 1025/17.40-M851型锅炉，于2003年11月投产，锅炉出口的蒸汽温度为540 ℃。2019年11月，再热器温度偏差大，经炉内检查，发现高温过热器东数第10排入口管屏的南数第7根管在距顶棚管约3.5 m处爆管而发生泄漏。该高温过热器管的材料为12Cr2MoWVTiB钢，规格为φ54 mm×8 mm。

为找出该高温过热器的泄漏原因，对爆口管段取样进行检验和分析，以期类似事故不再发生。为方便取样，将该管段分割为两部分，取样位置如图1所示，管段原始结构为管段2A与管段1B相连接。

图1 取样位置示意图Fig.1 Diagram of sampling positions

1 理化检验

1.1 宏观观察

爆口朝正西稍偏南，爆口处产生反冲击力，管子自顶棚以下向东弯折，爆口沿轴向开裂，边缘锋利，管子胀粗明显，减薄较多，开口较大，呈喇叭状，纵向开口长约50 mm，最大宽度约130 mm，断裂面光滑、平整，内壁光洁，内外壁均无过厚的氧化皮，如图2所示。

从东数第10屏，穿过东数第9屏北数第9和第10根管之间缝隙，然后沿东数第8屏至第1屏北数第8和第9根管之间缝隙，顶在东侧墙后屏横向固定管的横管部分。后屏固定管轻度弯折，在撞击点北侧，后屏固定管和固定支撑碰撞，机械受损情况较

图2 过热器管爆口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the superheater tube burst

重。东数第1屏入口联箱管排顶棚下600 mm处有4根管被吹损，厚度最薄处，北数第6根4.7 mm,第7根4.6 mm,第8根4.5 mm,第9根5.3 mm。

另外，观察到该根管子顶棚上部靠近出口联箱的部位，颜色明显不同于周围的其他管子，显示有过热迹象。

1.2 化学成分分析

使用SPECTROTEST型定量光谱仪，对爆口管段进行化学成分分析，结果见表1。可见爆口管段的化学成分符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr2MoWVTiB钢的成分要求。

表1 过热器管爆口管段的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the superheater tube burst section (mass fraction) %

1.3 金相检验

对取金相试样的4个横截面(取样位置见图1)分别进行金相检验，抛光方法为机械抛光，浸蚀液采用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液，使用Axio Vert A1型金相显微镜观察其显微组织。依据DL/T 884—2004《火电厂金相检验与评定技术导则》对显微组织进行老化评级。

横截面2距爆口边缘2 mm处的显微组织(见图3)为贝氏体+少量碳化物，晶粒沿爆口的变形方向被拉长。 横截面2距爆口边缘20 mm(见图4)处和50 mm处(见图5)以及爆口背面(见图6)的显微组织均为贝氏体+少量碳化物。横截面1向火侧(见图7)、横截面3向火侧(见图8)及横截面4向火侧(见图9)的贝氏体形态基本消失，其显微组织为铁素体+碳化物，老化评级为4～5级。

图3 距爆口边缘2 mm处的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology at 2 mm awayfrom the edge of burst

图4 距爆口边缘20 mm处的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology at 20 mm awayfrom the edge of burst

图5 距爆口边缘50 mm处的显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology at 50 mm awayfrom the edge of burst

图6 爆口背面的显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of the backside of the burst

图8 横截面3向火侧的显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of the fireside of the cross section 3

图9 横截面4向火侧的显微组织形貌Fig.9 Microstructure morphology of the fireside of the cross section 4

1.4 拉伸试验

取拉伸试样(取样位置如图1所示)，使用WDW-300E型试验机对其进行拉伸试验，结果见表2。可见取样管段的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均满足GB/T 5310—2017对12Cr2MoWVTiB钢的要求。

表2 过热器管的拉伸试验结果Tab.2 Tensile test results of the superheater tube

2 分析与讨论

经宏观观察可知，爆口断裂面光滑、平整，开口呈喇叭状，胀粗明显，爆口边缘减薄明显，管子内外壁无过厚的氧化皮。经化学成分分析可知，爆口管段的化学成分在标准允许范围之内，不存在材料错用或者化学成分不合格的情况。经金相检验可知，爆口边缘、爆口边缘附近区域及爆口背面的显微组织为贝氏体+碳化物，贝氏体形态明显，其中爆口边缘由于爆管时变形较大，晶粒被拉长；远离爆口的显微组织老化评级为4～5级。因此爆口截面的显微组织为相变后重结晶组织。 经拉伸试验可知，两处取样位置的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均在标准允许范围之内，但从试验结果可知，管段1(距爆口较近)与管段2(距爆口较远)相比较，管段1的屈服强度和抗拉强度均明显降低。

分析认为，该次事故的发生可能是因为异物堵塞(如内壁氧化皮堆积等)，使管子内的冷却介质(蒸汽)流量过低，造成管壁冷却条件恶化，使管壁的温度在短时间内突然上升，超过12Cr2MoWVTiB钢的相变温度，管子原始状态的贝氏体和铁素体开始奥氏体化，造成管壁的强度急剧下降，在内部蒸汽压力的作用下，产生塑性变形，管径胀粗、管壁减薄。管壁的减薄使管壁应力进一步升高，加大了管壁发生塑形变形的可能性和加深了管壁减薄的程度[7]。当管壁内的应力达到该钢在此温度的抗拉强度时，管壁发生剪切断裂而爆破；爆破时，管内蒸汽迅速喷出，对过热的管壁形成较为快速的冷却作用。由于介质本身具有一定的温度(入口段蒸汽温度为500 ℃～530 ℃)，在这种较快的冷却速度下，过冷奥氏体发生中温转变[8]，形成粒状贝氏体，见截面2的显微组织，同时也可看出，与截面1，3，4相比，截面2(爆口位置)的显微组织中的碳化物颗粒较少。

而距离爆口稍远一些的部位(如截面1，3，4)，在爆管前也存在过热现象，但管壁温度低于爆口部位，且未达到相变温度，因而未发生相变，但发生了组织老化现象，老化评级为4～5级。爆管后对入口联箱、弯头及靠近入口联箱的管子焊缝处进行了内窥镜检查，未发现异常现象。由于爆口较大，异物可能会在爆破时随蒸汽被冲出。

3 结论及建议

异物堵塞使冷却介质流量过低，管壁温度在短时间内突然上升，超过了12Cr2MoWVTiB钢的相变温度，管壁强度大幅降低。在内部蒸汽压力的作用下，管壁发生塑性变形，管径胀粗、管壁减薄，随后管壁发生剪切断裂而泄漏。

建议对爆口附近因吹损造成减薄且低于相关标准要求的管段予以更换；利用机组停机的机会，对过热器管进行管径测量，对管径超标的管段予以更换；采用割管等方式，查找并清除下弯头及入口联箱内部可能存在的异物。