電站鍋爐超溫爆管原因分析及預(yù)防

蘇州熱工研究院有限公司 郭曉彬 劉獻(xiàn)良 彭學(xué)文 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 徐光明

某電廠1#機(jī)組由日本三菱重工株式會(huì)社于1997年12月制造并交付，鍋爐采用單爐膛π型露天布置，強(qiáng)制循環(huán)方式，四角切圓室燃燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為BFG、煤粉、油，固態(tài)出渣，化學(xué)除鹽補(bǔ)給水處理。主蒸汽流量最大連續(xù)蒸發(fā)量為1210t/h，過(guò)熱器出口工作壓力17.24MPa，工作溫度541℃。再熱蒸汽流量為869t/h，再熱器入口工作壓力4.8MPa，工作溫度323℃，再熱器出口工作壓力4.4MPa，工作溫度541℃。

1 背景介紹

機(jī)組1999年2月28日投運(yùn)，累積運(yùn)行時(shí)間大于10萬(wàn)小時(shí)。2017年機(jī)組改造后運(yùn)行中發(fā)生爆管。爆管位置為末級(jí)過(guò)熱器左數(shù)第18、19屏夾管下彎頭附近出口段（前往后數(shù)第18根），該夾管為SA-213T91與SA-213TP347H對(duì)接，規(guī)格Φ48.3×8mm，爆漏點(diǎn)位于T91側(cè)管子上，具體位置如圖1所示。另外，左數(shù)第20屏夾管在與18、19屏爆管同高度位置管段有明顯脹粗。為了對(duì)比分析，割取第20屏夾管脹粗段（編號(hào)20-18-1，T91）、中間高度段（編號(hào)20-18-2，T91）、靠近頂棚段（編號(hào)20-18-3，T91），取樣管段見(jiàn)圖2。

圖1 爆漏位置

圖2 取樣管段

2 試驗(yàn)與分析

2.1 宏觀檢查

兩爆管爆口位置均位于T91側(cè)，爆口附近T91管段已明顯脹粗（圖2）。18-18爆口中心距離焊縫邊緣約540mm，19-18爆口中心距離焊縫邊緣約250mm，20-18脹粗管脹粗最大位置距離焊縫邊緣約300mm，測(cè)量外徑約61.5mm。兩爆口形貌相似，呈喇叭狀，開口較大，爆口唇部減薄較多，從其爆口形貌來(lái)看，爆管具有短時(shí)過(guò)熱特征。

管段設(shè)計(jì)規(guī)格為φ48.3×8mm，計(jì)算得上述三根T91管段的最大脹粗量（不含爆口處）分別約為29.6%、35.0%和27.3%。截取20-18-1、20-18-3部分管段縱向剖開，對(duì)管內(nèi)壁進(jìn)行檢查，如圖3。20-18-1管段TP347H側(cè)內(nèi)壁氧化皮均勻脫落；20-18-1和20-18-3管段T91側(cè)內(nèi)壁氧化皮均有大面積脫落，氧化皮出現(xiàn)分層。

圖3 部分管段內(nèi)壁氧化皮脫落情況

2.2 化學(xué)成分分析

各管段經(jīng)化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，均滿足GB 5310-2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)10Cr9Mo1VNbN（T91）鋼化學(xué)成分要求。

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.3.1 室溫拉伸試驗(yàn)

各管段室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，爆管18-18爆口附近T91管段及脹粗管20-18-1抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著高于GB 5310-2008對(duì)T91相應(yīng)鋼種10Cr9Mo1VNbN要求，斷后伸長(zhǎng)率則低于該標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。其余管段室溫拉伸性能符合GB 5310-2008對(duì)相應(yīng)鋼種規(guī)定。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 硬度測(cè)試

表3為送檢管段布氏硬度測(cè)試結(jié)果。硬度測(cè)試在金相試面上進(jìn)行，其中爆管18-18和19-18在遠(yuǎn)離爆口的金相1#試樣橫截面進(jìn)行。爆管18-18、19-18和脹粗管20-18-1均布測(cè)試6點(diǎn)，其余管段均布測(cè)試4點(diǎn)。

表3 硬度測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，爆管18-18（硬度均值286.8 HBW）和脹粗管20-18-1（硬度均值311.3HBW）整體硬度值較高，顯著超出DL/T 438-2016對(duì)T91鋼管硬度要求（185～250HB），且硬度值分散性較大；爆管19-18硬度較為均勻，平均硬度值156.2HBW，顯著低于DL/T 438-2016規(guī)定的下限值185HB；20-18-2硬度均值210.3HBW，20-18-3硬度均值212.1HBW，硬度值均符合DL/T438-2016對(duì)相應(yīng)鋼種硬度要求。

2.4 金相檢驗(yàn)

（1）爆口金相檢驗(yàn)

圖4～6為爆管18-18爆口位置金相檢驗(yàn)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，裂紋尖端擴(kuò)展形式為穿晶擴(kuò)展。爆口附近組織為鐵素體+少量馬氏體+碳化物，組織老化明顯，爆口邊緣鐵素體晶粒明顯拉長(zhǎng)變形，有較多沿變形方向形成的微裂紋。爆口對(duì)面4#試樣金相組織為馬氏體+少量鐵素體，晶粒度約9～10級(jí)。

圖7～9為爆管19-18爆口位置金相檢驗(yàn)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，裂紋尖端擴(kuò)展形式為穿晶擴(kuò)展。爆口附近金相組織為馬氏體+鐵素體，鐵素體晶粒有拉長(zhǎng)變形，并有較多沿變形方向形成的二次微裂紋。爆口對(duì)面金相組織為鐵素體+少量馬氏體+碳化物，組織有明顯老化，晶粒度約10～11級(jí)。

（2）爆管脹粗段及其他管段金相檢驗(yàn)

圖10為爆管18-18脹粗段1#試樣硬度最高位置（測(cè)點(diǎn)2）及最低位置（測(cè)點(diǎn)4）金相檢驗(yàn)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)2位置金相組織為鐵素體+馬氏體，晶粒度約9～11級(jí)；測(cè)點(diǎn)4位置金相組織為鐵素體+少量馬氏體+碳化物，組織老化明顯，晶粒度約9～11級(jí)。爆管19-18脹粗段金相結(jié)果與18-18脹粗段相似。

脹粗管20-18-1硬度最高位置（測(cè)點(diǎn)5）及最低位置（測(cè)點(diǎn)1）金相檢驗(yàn)結(jié)果：兩測(cè)點(diǎn)位置金相組織均為鐵素體+馬氏體，晶粒度約10～11級(jí)，測(cè)點(diǎn)5位置組織中鐵素體含量略少于測(cè)點(diǎn)1。對(duì)比管20-18-2、20-18-3和進(jìn)口段20-17金相檢驗(yàn)結(jié)果：其20-18-2、20-18-3金相組織為回火板條馬氏體，晶粒度約9～11級(jí)；10CrMo910材質(zhì)的進(jìn)口段金相組織為鐵素體+碳化物，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 999-2006《電站用2.25Cr-1Mo鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，組織球化級(jí)別評(píng)為4級(jí)。

2.6 氧化皮能譜分析

取脹粗管屏20-18-1彎頭處堆積的氧化物置于掃描電鏡下進(jìn)行能譜分析，大塊狀不含Ni元素的氧化皮應(yīng)為T91管內(nèi)壁脫落，細(xì)碎狀含Ni元素的氧化皮應(yīng)為TP347H材質(zhì)管內(nèi)壁脫落，詳見(jiàn)圖11～12。因此，TP347H及T91側(cè)管段均有氧化物脫落，與宏觀檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的內(nèi)壁氧化皮脫落情況相吻合。

3 原因分析

通過(guò)對(duì)送檢管段各項(xiàng)理化性能試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：

（1）兩爆口管爆口位置均位于T91一側(cè)，爆口附近T91管段已明顯脹粗，兩爆口形貌相似，呈喇叭狀，開口較大，爆口唇部減薄較多，可見(jiàn)爆管宏觀上具有短時(shí)過(guò)熱特征。

（2）現(xiàn)場(chǎng)在彎頭處割管發(fā)現(xiàn)，彎頭處有大量氧化皮堆積，對(duì)部分管段內(nèi)壁氧化皮檢查發(fā)現(xiàn)，出口段TP347H和T91管段內(nèi)壁氧化皮均有明顯脫落，取樣進(jìn)行能譜分析也可看出，彎頭內(nèi)堆積的氧化皮來(lái)自TP347H和T91兩種材質(zhì)的管段。

氧化皮在彎頭處發(fā)生堆積，會(huì)阻礙氣流流通，導(dǎo)致彎頭前方管段的壓力增大，而彎頭后方管段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)蒸汽流量減少，使管壁得不到有效的冷卻，金屬管壁溫度上升，管子力學(xué)性能下降。因此，氧化皮的堆積，容易導(dǎo)致彎頭及附近區(qū)域局部過(guò)熱，最終引起過(guò)熱最嚴(yán)重區(qū)域發(fā)生短時(shí)過(guò)熱爆管。

（3）力學(xué)性能方面，爆管19-18硬度較為均勻，平均硬度值156.2HBW，顯著低于DL/T438-2016規(guī)定的下限值185HB。

爆管18-18脹粗段及20-18-1硬度值、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均顯著高于DL/T432-2016和GB 5310-2008對(duì)相應(yīng)鋼種性能要求，斷后伸長(zhǎng)率則低于該標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。與20-18-1相連的同一管段20-18-2和20-18-3力學(xué)性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）對(duì)18-18和19-18爆口及其附近金相觀察可見(jiàn)，爆口附近鐵素體晶粒均有拉長(zhǎng)變形，并有沿變形方向形成的微裂紋，表明爆口處微觀上也有明顯的塑性變形特征。

爆管18-18脹粗段和20-18-1均出現(xiàn)鐵素體+馬氏體組織，且強(qiáng)硬度顯著高于標(biāo)準(zhǔn)要求，而遠(yuǎn)離爆口的同一根管段20-18-2和20-18-3管段金相組織和強(qiáng)硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織也未見(jiàn)明顯老化，可見(jiàn)，18-18和20-18-1脹粗段過(guò)熱溫度已超出T91材料的相變溫度，表明管段承受局部短時(shí)過(guò)熱。19-18管段金相組織為鐵素體+碳化物，老化程度較為嚴(yán)重。

圖4 18-18爆口裂紋尖端形貌

圖5 18-18爆口邊緣組織形貌

圖6 爆管18-18爆口對(duì)面組織形貌

圖7 19-18爆口裂紋尖端形貌

圖8 19-18爆口邊緣組織形貌

圖9 19-18爆口對(duì)面組織形貌

圖10 爆管18-18測(cè)點(diǎn)2（左圖）及測(cè)點(diǎn)4（右圖）組織形貌

四 結(jié)論及建議

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果及分析，得出以下結(jié)論：

氧化皮在彎頭部位堆積，導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽流通不暢，蒸汽介質(zhì)不能對(duì)管壁進(jìn)行有效冷卻，使得管壁溫度升高，造成短時(shí)過(guò)熱，是導(dǎo)致三次過(guò)熱器管爆管產(chǎn)生的主要原因。

針對(duì)上述結(jié)論，建議如下：

（1）對(duì)與爆管管屏相近位置的下彎頭氧化皮堆積情況進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于氧化皮沉積較多的彎頭處，應(yīng)進(jìn)行氧化皮清理。在鍋爐運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)減小溫度波動(dòng)，在鍋爐啟停過(guò)程中，嚴(yán)格控制啟停速率，以減少或避免氧化皮的大面積脫落。

（2）在每次機(jī)組啟動(dòng)初期一周內(nèi)，可通過(guò)降低主、再熱蒸汽壓力運(yùn)行，用較高的蒸汽動(dòng)量將受熱面內(nèi)脫落的少量氧化皮帶走，避免脫落的氧化皮在彎頭部位堆積堵管。

圖11 脫落的塊狀氧化皮截面分析結(jié)果

圖12 碎屑狀氧化皮能譜分析結(jié)果

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