超臨界670MW機(jī)組末級(jí)再熱器爆管原因分析

張傳清　劉天佐

（1.華電國(guó)際電力股份有限公司安生部，北京　100031；2.華電國(guó)際電力股份有限公司技術(shù)中心，山東濟(jì)南　250014）

超臨界670MW機(jī)組末級(jí)再熱器爆管原因分析

張傳清1劉天佐2

（1.華電國(guó)際電力股份有限公司安生部，北京100031；2.華電國(guó)際電力股份有限公司技術(shù)中心，山東濟(jì)南250014）

通過對(duì)超臨界670MW機(jī)組末級(jí)再熱器爆管進(jìn)行宏觀檢查、金相檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)、機(jī)械性能檢驗(yàn)、室溫拉伸性能試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：爆管段存在局部堵塞，氣流不暢，使得發(fā)生堵塞的管段傳熱性能惡化，整根管段發(fā)生短時(shí)急劇超溫，管段強(qiáng)度性能大幅度降低，該溫度下，材質(zhì)的強(qiáng)度不足以滿足內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力，最終導(dǎo)致管段發(fā)生短時(shí)過熱爆管。

超臨界670MW機(jī)組再熱器爆管分析

1　引言

某超臨界670MW機(jī)組，主汽壓力為25.4MPa、主汽溫度為571℃、再熱器管設(shè)計(jì)的壓力為5.31MPa、設(shè)計(jì)溫度為320/569（進(jìn)/出）。該爐運(yùn)行17200小時(shí)，末級(jí)再熱器右數(shù)第18排外數(shù)第7管圈底部彎頭迎煙側(cè)泄漏，將泄漏處彎頭T23管更換為T91。該爐換管消缺投運(yùn)后21小時(shí)，末級(jí)再熱器右數(shù)第18排外數(shù)第7管圈底部彎頭上部500mm直管泄漏。

2　試驗(yàn)內(nèi)容

2.1宏觀檢查

宏觀照片如圖1所示，第一次爆口管位置在彎頭外弧側(cè)，爆口無(wú)明顯脹粗，壁厚無(wú)減薄，邊緣較厚，脆斷特征較明顯。爆口附近管內(nèi)外壁均有一層較厚且縱向平行開裂的黑褐色氧化皮。第二次爆口管爆口位置為T23+T91焊接接頭之上T23管段，泄漏段（T23側(cè)）脹粗明顯，爆口張開較大，爆口長(zhǎng)100mm，寬160mm，破裂尖端處呈薄刃狀，爆口呈平板狀，韌斷特征明顯。

2.2金相檢驗(yàn)

取兩次爆口管的爆口邊緣和爆口下段進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖2。

第一次爆口管爆口處組織為鐵素體+碳化物，裂紋附近組織未發(fā)生明顯相變，但組織老化較嚴(yán)重，無(wú)原貝氏體形態(tài)特征，晶內(nèi)彌散碳化物顆粒較少，晶界鏈狀碳化物析出較多。爆管附近向火面氧化皮最大達(dá)到1.8mm。第二次爆口管爆口處T23管向火面組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，為異常組織特征，而背火面為鐵素體+碳化物。T91管外壁有混晶組織，組織為粗大的馬氏體+碳化物（晶粒度為5～ 6級(jí)）。內(nèi)層為碎化的板條馬氏體+彌散的碳化物顆粒（晶粒度10～11級(jí)）。內(nèi)外層晶粒級(jí)差較大，而原板條位向特征不典型，且晶內(nèi)大量碳化物顆粒析出長(zhǎng)大，晶界不清晰已發(fā)生粗化。

2.3硬度檢驗(yàn)

取兩次爆口管的爆口邊緣和爆口下段進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1　末級(jí)再熱器爆管宏觀照片

圖2　爆口管金相照片

第一次爆管垂直段靠爆口位置的向火面硬度均值為HV100125.4，最低值達(dá)到HV100112.5，背火面硬度均值為HV100175.8；下彎管段向火面硬度為HV100142.3。第一次爆管的16-7向火面硬度顯著低于DL/T438 HB150～220的要求。第二次爆管爆口管T23側(cè)向火面硬度為HV100186，背火面硬度為HV100157.9，向火面硬度較高。T91側(cè)向火面硬度為HV100346，背火面硬度為HV100182（HB173）。該管段T91鋼的硬度出現(xiàn)異常，向火面、背火面硬度差異非常大，且向火面硬度明顯高于DL438對(duì)T91鋼上限（HB250）要求，背火面硬度低于DL438對(duì)T91鋼下限（HB180）要求。

表1　維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

表2　室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3　第一次爆管彎管金相環(huán)宏觀照片

圖4　T23的CCT曲線

2.4機(jī)械性能檢驗(yàn)

取第一次爆口管遠(yuǎn)離爆口處和第二次爆口管的相鄰管（T23）進(jìn)行拉伸性能，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

第一次爆管彎頭上段向火面、背火面的室溫拉伸性能已不滿足GB5310以及ASME SA213對(duì)T23相應(yīng)牌號(hào)鋼的強(qiáng)度要求，尤其是向火面管樣的抗拉強(qiáng)度已低于標(biāo)準(zhǔn)35MPa，屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)50MPa。第二次爆管相鄰管向火面的室溫拉伸性能（強(qiáng)度、塑性）不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求?？估瓘?qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)15MPa，屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求5MPa。第二次爆管向火面的屈強(qiáng)比略高于第一次爆管向火面的值。

3　分析與討論

3.1第一次爆口管

第一次爆口管爆口位于彎頭的外弧側(cè)，無(wú)明顯脹粗，壁厚無(wú)減薄，脆性特征較明顯。爆口管內(nèi)外壁氧化皮較厚，向火面外壁出現(xiàn)0.25mm長(zhǎng)的氧化裂紋，爆管附近向火面內(nèi)壁氧化皮最大達(dá)到1.8mm。有效剩余金屬壁厚僅為2.3mm。爆口管處組織未發(fā)生明顯相變，但組織老化較嚴(yán)重，無(wú)原貝氏體形態(tài)特征，晶內(nèi)彌散碳化物顆粒較少，晶界鏈狀碳化物析出較多較大。爆口管處向火側(cè)的硬度為HV100125.4，低于DL/T438 HB150～220的要求。爆管彎頭上段向火面、背火面的室溫拉伸性能已不滿足GB5310以及ASME SA213對(duì)T23相應(yīng)牌號(hào)鋼的強(qiáng)度要求。圖3所示：

第一次再熱器爆管附近管段的當(dāng)量溫度為631～613℃。結(jié)合EPRI的相關(guān)文獻(xiàn)以及相關(guān)鍋爐廠家（B&W、ALSTON等）推薦，T23用于受熱面管：過熱器、再熱器或水冷壁的最高使用金屬壁溫≤580℃，結(jié)果表明該材質(zhì)運(yùn)行過程中存在長(zhǎng)時(shí)超溫。當(dāng)量溫度結(jié)果表明，取樣T23管在運(yùn)行過程中，存在長(zhǎng)時(shí)過熱現(xiàn)象。管壁在超溫（大于5803.2第二次爆口管

℃）運(yùn)行過程中，易促成內(nèi)、外壁氧化皮的生長(zhǎng)加速，氧化皮生成過程中消耗了基體金屬，管段的有效壁厚顯著降低，使得管子環(huán)向應(yīng)力逐漸增加，最終超過材質(zhì)高溫下的許用應(yīng)力發(fā)生爆管。另外較厚的氧化皮惡化了管壁的傳熱性能，從而也加速該部位的爆管。

第二次爆口管泄漏段脹粗明顯，爆口張開較大，爆口長(zhǎng)100mm，寬160mm，破裂尖端處呈薄刃狀，爆口呈平板狀，韌斷特征明顯。爆口管（T23材質(zhì)）爆管尖端為明顯的相變組織。爆口處向火面組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，為異常組織特征，而背火面為鐵素體+碳化物。參考T23的CCT曲線，圖4所示：分析表明爆管部位運(yùn)行過程超溫達(dá)到相變溫度點(diǎn)，爆管后材質(zhì)隨爐溫的下降緩慢冷卻，組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，硬度值為HV100186，說明處爆口的溫度達(dá)到相變溫度以上。爆口管T91鋼同樣存在短時(shí)超溫達(dá)到相變點(diǎn)，內(nèi)外層出現(xiàn)混晶特征，且向火面的硬度均值達(dá)到HV100346，出現(xiàn)異常較高值。均表明該部位材質(zhì)嚴(yán)重過熱。通過分析，表明該管段存在局部堵塞，氣流不暢，使得發(fā)生堵塞的管段傳熱性能惡化，整根管段發(fā)生短時(shí)急劇超溫，管段強(qiáng)度性能大幅度降低，該溫度下，材質(zhì)的強(qiáng)度不足以滿足內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力，最終導(dǎo)致管段發(fā)生短時(shí)過熱爆管。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）第一次爆管：T23管在運(yùn)行過程中，存在長(zhǎng)時(shí)過熱現(xiàn)象。管壁在超溫（大于580℃）運(yùn)行過程中，易促成內(nèi)、外壁氧化皮的生長(zhǎng)加速，氧化皮生成過程中消耗了基體金屬，管段的有效壁厚顯著降低，使得管子環(huán)向應(yīng)力逐漸增加，最終超過材質(zhì)高溫下的許用應(yīng)力發(fā)生爆管。另外較厚的氧化皮惡化了管壁的傳熱性能，從而也加速該部位的爆管。（2）第二次爆管：爆口管段存在局部堵塞，氣流不暢，使得發(fā)生堵塞的管段傳熱性能惡化，整根管段發(fā)生短時(shí)急劇超溫，管段強(qiáng)度性能大幅度降低，該溫度下，材質(zhì)的強(qiáng)度不足以滿足內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力，最終導(dǎo)致管段發(fā)生短時(shí)過熱爆管。

［1］楊華春，屠勇超.（超）臨界機(jī)組鍋爐鋼管選材與國(guó)產(chǎn)化可行性［G］.超超臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)論文集.

［2］趙彥芬，張路.超超臨界機(jī)組用新型耐熱鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.世界金屬導(dǎo)報(bào).

張傳清（1971—），男，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電廠生產(chǎn)技術(shù)管理及研究。E-mail：zhangcq831@126.com。劉天佐（1963—），男，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電廠金屬監(jiān)督、防磨防爆管理及研究。