某600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器管爆管原因分析

呂新樂，羅江勇，邊鵬飛，蘇偉茂

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519005)

某600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器管爆管原因分析

呂新樂，羅江勇，邊鵬飛，蘇偉茂

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519005)

某600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器管在運(yùn)行過程中發(fā)生爆管，通過化學(xué)分析、金相分析、硬度檢驗(yàn)、掃描及能譜分析等，結(jié)果表明：爆管的主要原因是該管段超溫運(yùn)行，加之管段內(nèi)壁在制造過程中產(chǎn)生的尖銳凹痕，以及管段基體組織中存在較多且顆粒尺寸較大的富鈮相，促進(jìn)了裂紋的萌生與擴(kuò)展。并提出了運(yùn)行檢修建議。

超臨界鍋爐；過熱器；失效

1 事故概況

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化速度加快，電力消費(fèi)保持穩(wěn)定增長態(tài)勢，大量的超臨界、超超臨界機(jī)組投入運(yùn)行[1-3]。大容量機(jī)組效率高、能耗低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢，但其頻繁的啟停對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性不利。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國近年來投產(chǎn)的大容量機(jī)組因鍋爐受熱面爆漏而造成停機(jī)的占40%以上[4-5]，而其中因運(yùn)行工況惡劣的末級過熱器、末級再熱器爆漏問題又占了絕大多數(shù)。因此對高溫過熱器的爆管原因及機(jī)理進(jìn)行針對性分析，找出相應(yīng)的防范措施很有必要。

某公司鍋爐為600 MW超臨界鍋爐，主蒸汽溫度為571 ℃，出口工作壓力25.4 MPa，運(yùn)行約2.5年后，過熱器管一處彎頭在運(yùn)行過程中發(fā)生爆管，材質(zhì)為TP347HFG。

2 失效分析

2.1 宏觀檢查

對發(fā)生爆管的受熱面管進(jìn)行宏觀檢查，宏觀照片如圖1所示。

爆口位于管段彎頭處外弧面，爆口較大，縱向方向長約185 mm，環(huán)向方向?qū)捈s25 mm，塑性變形明顯，爆口斷面較粗糙，邊緣較鈍，呈厚唇狀，爆口處管壁減薄量不大。

從爆口處觀察內(nèi)表面有2條與管子中心線平行的凹痕，凹痕向兩端延伸，并在爆管兩側(cè)直段內(nèi)表面分別發(fā)現(xiàn)數(shù)條(其中一側(cè)為3條，另一側(cè)為5條)類似的凹痕。

2.2 成分分析

依據(jù)GB/T223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》

圖1 爆管段宏觀照片

及相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)對取樣管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果 Wt%

試驗(yàn)結(jié)果表明：爆管的TP347HFG鋼取樣化學(xué)成分符合GB5310—2008的要求。

2.3 拉伸及硬度檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，對爆管取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣采取弧形比例試樣，保留原表面。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 TP347HFG材質(zhì)室溫拉伸檢驗(yàn)結(jié)果

室溫拉伸檢測結(jié)果表明，爆管的抗拉強(qiáng)度(Rm)、屈服強(qiáng)度(Rp0.2)和斷后延伸率(A)滿足GB5310—2008對相應(yīng)鋼種的要求。但對于奧氏體不銹鋼，強(qiáng)度與材質(zhì)的老化程度對應(yīng)性差，僅憑材質(zhì)的強(qiáng)度不能反映材料的老化程度。

布氏硬度根據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，試樣表面經(jīng)金相砂紙磨光，并進(jìn)行拋光處理，采用臺式布氏硬度計(jì)。測試設(shè)備為HBS-3000型數(shù)顯布氏硬度計(jì)，試驗(yàn)條件：負(fù)荷187.5 kg、負(fù)荷保持時(shí)間10 s。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 材質(zhì)TP347HFG硬度檢驗(yàn)結(jié)果

GB5310要求08Cr18Ni11NbFG (TP347HFG)鋼的硬度≤192 HBW，布氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，送檢的TP347HFG管在非爆口處的平均硬度值仍滿足GB5310—2008對相應(yīng)鋼種的硬度要求。但爆口處的向火面和背火面硬度均高于GB5310—2008對相應(yīng)鋼種硬度要求的上限。

2.4 金相檢驗(yàn)

依據(jù)DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》及DL/T438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對送檢爆管進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

圖2為距離爆口尖端150 mm處的基體組織，可以看出，該處管段金相組織為孿晶奧氏體，晶粒度為7～8級；晶界及晶內(nèi)有較多的大顆粒狀析出相，內(nèi)壁有氧化層，氧化層厚度約55.67 μm。

圖2 距離爆口尖端150 mm處的金相組織

圖3為爆口處組織，可以看出，該處管段基體組織為孿晶奧氏體，晶粒度為7～8級。晶界及晶內(nèi)有較多大顆粒狀析出相；爆口處內(nèi)壁側(cè)有凹痕，深度約835.81 μm，表面有氧化皮，厚度約為56.14 μm。

圖4為爆口尾部凹痕處組織，可以看出，該處金相組織為孿晶奧氏體，晶粒度為7～8級，晶界及晶內(nèi)有較多的大顆粒狀析出相；內(nèi)壁凹痕深約297.67 μm，凹痕底部較尖銳，無二次裂紋，凹痕內(nèi)有氧化層。

圖3 爆口處金相組織

圖4 凹痕處金相組織

2.5 掃描電鏡及能譜分析

依據(jù)JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》，利用掃描電鏡及能譜儀對爆口管段外壁微裂紋形態(tài)成分及爆口斷面形貌進(jìn)行觀察分析。試驗(yàn)儀器為TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡+EDAX GENESIS2000X-Ray能譜儀，分析方法為半定量選區(qū)掃描。

如圖5、表4所示，爆口斷面內(nèi)壁側(cè)有凹痕形貌，凹痕表面氧化嚴(yán)重。能譜分析結(jié)果表明，基體組織中的大顆粒狀析出相為富鈮相。

(a)能譜分析區(qū)域

(b) 爆口斷面內(nèi)側(cè)形貌(500×)圖5 爆口處掃描形貌

元素重量百分比/Wt%原子百分?jǐn)?shù)/At%Nb61.0849.33Cr7.3410.59Fe25.0533.65Ni4.375.58

3 檢驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)上述綜合檢驗(yàn)表明，爆管段內(nèi)壁有最厚達(dá)70 μm的氧化層，而爆管段的運(yùn)行時(shí)間僅約2.5年，由此說明，爆管可能存在超溫運(yùn)行現(xiàn)象；爆管段內(nèi)壁有平行于管中心線的凹痕，從微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，凹痕底部較尖銳，表面有氧化層，且在爆口邊緣內(nèi)表面處也發(fā)現(xiàn)了較深的凹痕，且凹痕處的氧化皮表明，凹痕產(chǎn)生于制造過程中，凹痕處存在較大的應(yīng)力集中，促進(jìn)了裂紋的萌生。另外，爆管段基體組織晶界及晶內(nèi)富鈮相較多且顆粒尺寸較大，大顆粒富鈮相的存在破壞了基體組織的連續(xù)性，會促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展。

綜上所述，爆管的主要原因是該管段超溫運(yùn)行；加之管段內(nèi)壁在制造過程中產(chǎn)生的尖銳凹痕，以及管段基體組織中存在較多且顆粒尺寸較大的富鈮相，促進(jìn)了裂紋的萌生與擴(kuò)展。

4 運(yùn)行檢修建議

在后續(xù)的運(yùn)行中，一方面應(yīng)通過控制主汽溫和防止火焰中心偏斜等措施來嚴(yán)格控制超溫問題，另一方面應(yīng)完善溫度監(jiān)控，在高溫過熱器易發(fā)生超溫的區(qū)域加裝爐內(nèi)溫度測點(diǎn)，完善管壁真實(shí)溫度監(jiān)控。在后續(xù)的檢修中，應(yīng)對同批次的受熱面管加強(qiáng)監(jiān)督，并在機(jī)組檢修期間進(jìn)行普查，如發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面凹痕的管段應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)督，若條件允許可考慮對凹痕較深的管段進(jìn)行更換。加強(qiáng)原材料的抽檢力度，避免使用內(nèi)壁有缺陷及基體中含有較多未固溶的富鈮相的管材，從源頭上確保高溫過熱器的高質(zhì)量零缺陷供貨。

[1] 劉堂禮.超臨界和超超臨界技術(shù)及其發(fā)展[J].廣東電力，2007，20(1): 19-22.

[2] 譚永強(qiáng).廣東省發(fā)展超超臨界機(jī)組的必要性和可行性[J].廣東電力，2010， 23(3): 42-44．

[3] 烏若思.超超臨界發(fā)電技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國電力，2006，39(6)：34-37．

[4] 匡江紅, 陳端雨. 1 000 MW級火電機(jī)組鍋爐發(fā)展綜述[J].動力工程, 2003, 23(1): 2 127-2 134．

[5] 董 琨.600 MW超臨界鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)性分析[D].北京: 華北電力大學(xué), 2009．

Cause Analysis on Superheater Tubes Brust in Given 600 MW Supercritical Boiler

Lü Xinle, LUO Jiangyong, BIAN Pengfei, SU Weimao

(Guangdong Zhuhai Jinwan Power Plant Company Limited，Zhuhai，Guangdong 519005，China)

The superheater tube in a 600 MW supercritical boiler ruptures, the brust tube is studied by chemical analysis, metallographic analysis, hardness test and scanning electro microscope.The results indicate that the brust tube is overheated,there is pungent indentation in the inside of tube and there are many niobium rich phases with larger particle in the matrix of the pipe, which promote the initiation and propagation of crack.

supercritical boiler; superheater; invalidation

TM621

A

1004-7913(2017)01-0034-03

呂新樂(1984)，男，學(xué)士，工程師，主要從事鍋爐本體及管閥設(shè)備檢修管理工作。

2016-10-21)