屏式過熱器爆管原因分析

楊 毅

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

1 爆管情況

某火力發(fā)電廠600 MW亞臨界機(jī)組于2016-03-02T23∶00∶00發(fā)現(xiàn)異常，經(jīng)現(xiàn)場檢查確認(rèn)屏式過熱器區(qū)域有泄漏聲，于 2016-03-03T06∶08∶00 停爐。檢驗發(fā)現(xiàn)屏式過熱器A向B數(shù)第9大屏、前向后數(shù)第4小屏最外圈管（下文簡稱“屏過9-4”）出口段的頂棚過熱器管下方第1道焊縫以下100mm處發(fā)生爆裂（圖1中“爆口1”）。隨后檢查過程中發(fā)現(xiàn)下部小彎頭附近還有1爆口（圖1中的“爆口2”）。該管段（圖1中焊縫1與焊縫3之間管段）系同年1月13日爆管后更換新管，材質(zhì)為SA-213T91，規(guī)格為Φ44.5mm×7mm。

發(fā)生爆裂的管子如圖1所示，為敘述方便，下文按圖1中所示的各名稱來指代各處位置（即“脹粗1”“脹粗 2”“焊縫 1”“焊縫 2”“焊縫 3”“爆口 1”和“爆口2”等）。為分析爆管原因，從焊縫1兩側(cè)（包含脹粗1和脹粗2）取樣管1，焊縫1和焊縫2中間無變形管段取一段400 mm管子作為樣管2，焊縫2上方200 mm開始至焊縫3下方300 mm止取樣作為樣管3，并在A向B第2大屏、前向后數(shù)第4小屏的最外圈管出口段頂棚過熱器管向下約1 200 mm處取樣管4作為對比試樣。

2 試驗分析

對各樣管按需進(jìn)行了宏觀檢驗、化學(xué)成分分析、微觀組織檢驗、析出物粒子能譜分析、布氏硬度檢測和常溫拉伸試驗。

圖1 爆管屏式過熱器爆管管道

2.1 宏觀檢驗

整個屏過9-4管子外表面爐前半圈有長期運行后的泥土附著和結(jié)焦，爆口2所在的彎頭背弧面結(jié)焦尤為嚴(yán)重，其結(jié)焦厚度約2 mm。

2.1.1 脹粗和爆口1宏觀檢驗

脹粗1和脹粗2形貌如圖2和圖3所示，橫截面如圖4所示，兩處均是爐后半圈脹粗減薄，爐前半圈未見明顯脹粗減薄。脹粗1僅脹粗未爆裂，脹粗2脹粗嚴(yán)重并發(fā)生爆裂形成爆口1。爆口1邊緣銳利，減薄嚴(yán)重，呈塑性爆口特征。脹粗1最大外徑52 mm，減薄最嚴(yán)重的爐后半圈最小壁厚3.0 mm，減薄不嚴(yán)重的爐前半圈的壁厚約6.4 mm；脹粗2最大外徑61 mm，減薄嚴(yán)重的爐后半圈爆開，減薄不嚴(yán)重的爐前半圈的壁厚約6.4 mm。

兩處脹粗之間的焊縫1無明顯脹粗。焊縫1向下200 mm以下的管段外形尺寸和宏觀形貌正常。

2.1.2 爆口2宏觀檢驗

爆口2及附近管段形貌如圖5和圖6所示，橫截面形貌如圖7所示。

爆口2開口不大，鈍邊，整個爆口長度約20 mm，寬度約5mm，呈脆性爆口特征。爆口2附近內(nèi)壁有很薄一層氧化皮，有軸向蠕變裂紋，顯微鏡下觀察其內(nèi)壁蠕變裂紋，其末端不尖銳，無擴(kuò)展裂紋（如圖8所示）。

焊縫2與焊縫3之間的管段有明顯脹粗，外徑均在47 mm以上，壁厚在6.4 mm左右，脹粗量均超過標(biāo)準(zhǔn)［1］要求。

焊縫2以上和焊縫3以下的管段外徑約44.8 mm，壁厚約7.4 mm，外徑壁厚均正常。

圖2 脹粗1、焊縫1和脹粗2附近形貌

圖3 脹粗2上的爆口（爆口1）

圖4 脹粗1和脹粗2的橫截面

圖5 爆口2附近管段（包含焊縫2和焊縫3）

圖6 爆口2形貌

圖7 爆口2橫截面及內(nèi)壁蠕變裂紋

2.2 化學(xué)分析

在“爆口1”和“爆口2”附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示，兩抽樣分析位置化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)［2］要求，合格。

圖8 內(nèi)壁蠕變裂紋

表1 屏式過熱器管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.3 微觀檢驗

分別在脹粗1、爆口1、爆口2、樣管2和樣管 4上截取環(huán)形金相試樣按標(biāo)準(zhǔn)［3］進(jìn)行金相檢驗并評級。采用機(jī)械磨制，化學(xué)拋光，苦味酸鹽酸酒精溶液腐蝕，觀察橫截面金相組織，對相中析出物進(jìn)行能譜分析。

脹粗1和爆口1的金相組織（如圖9和圖10）均為回火馬氏體+碳化物，馬氏體形貌嚴(yán)重分散，晶內(nèi)碳化物粒子基本消失，碳化物主要聚集在晶界長大，組織老化級別4級。經(jīng)能譜分析析出物粒子主要成分為Fe，Cr和C，部分粒子內(nèi)還含有Mo。

爆口2處金相組織（如圖11）為回火馬氏體+碳化物，馬氏體形貌基本消失，晶內(nèi)碳化物粒子基本消失，碳化物聚集長大，主要分布在晶界，組織老化級別4.5級。經(jīng)能譜分析析出物粒子主要成分為Fe，Cr和C，部分粒子內(nèi)還含有Mo。

樣管2的金相組織（如圖12）為回火馬氏體+碳化物，馬氏體形貌尚完整，晶內(nèi)碳化物粒子減少，晶界出現(xiàn)少部分碳化物，組織老化級別3級。

“樣管4”的金相組織（如圖13）為回火馬氏體+碳化物，馬氏體形貌完整，組織老化級別1.5級，正常。

圖9 “脹粗1”的金相組織

圖10 “爆口1”的金相組織

圖11 “爆口2”的金相組織

圖12 “樣管2”的金相組織

圖13 “樣管4”的金相組織

由金相組織上看，樣管4的金相組織正常，組織未見超溫特征。與樣管4對比，脹粗1、爆口1和爆口2處組織老化嚴(yán)重，具有典型超溫組織特征；“樣管2”的組織老化情況相對較輕，但也有超溫組織特征。

2.4 力學(xué)性能

2.4.1 硬度檢測

在樣管1、樣管2、樣管3和樣管4取樣進(jìn)行里氏硬度檢測，檢測結(jié)果見表2。同時對滿足布氏硬度檢測要求的測點用布氏硬度計進(jìn)行了復(fù)查核對。

從檢測結(jié)果看，1月新?lián)Q管段（焊縫1以下至焊縫3以上管段）的母材硬度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求的T91硬度；同時，焊縫1硬度低于兩側(cè)母材硬度約30 HB，文獻(xiàn)［4］要求焊縫硬度不應(yīng)低于母材硬度的90%，不符合要求。焊縫2和焊縫3硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 樣管表面硬度檢測結(jié)果 HB

在5個金相樣管的橫截面上進(jìn)行硬度均勻性檢驗，檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脹粗1和脹粗2的橫截面硬度不均勻，膨脹減薄的一側(cè)硬度比未膨脹的一側(cè)硬度約低20 HB；爆口2、樣管2和樣管4的橫截面上硬度均勻。

2.4.2 常溫拉伸試驗

按照文獻(xiàn)［5］要求在樣管1～4上分別截取短比例力學(xué)性能樣管進(jìn)行常溫拉伸試驗，樣管1取樣位置下端位于焊縫1向上約300 mm，樣管3取樣位置下端位于焊縫3向上約80 mm。試驗結(jié)果如表3，各試樣的斷后伸長率均合格。用作對比的樣管4抗拉強(qiáng)度符合文獻(xiàn)［1］要求；焊縫1與焊縫3之間的管子（樣管2和樣管3）抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求；焊縫1以上（不包括脹粗1和熱影響區(qū)）抗拉強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是與樣管4對比，抗拉強(qiáng)度還是有顯著降低。

表3 常溫拉伸試驗結(jié)果（平均值）

3 結(jié)果分析

綜合現(xiàn)場對附近管屏被沖刷情況的勘查和兩個爆口宏微觀特征分析，鍋爐運行過程中，先產(chǎn)生了開口很小的爆口2，由于爆口2開口小，泄漏量不大，運行監(jiān)控參數(shù)未見明顯異常，鍋爐在爆口2泄漏的情況下繼續(xù)運行一段時間后，產(chǎn)生了爆口1，爆口1本身開口較大，兩處爆口同時泄漏，導(dǎo)致機(jī)組運行參數(shù)異常停機(jī)。

3.1 爆口2的產(chǎn)生原因

爆口2的宏觀形貌和微觀組織均具有典型長時超溫爆管的特征。

鍋爐設(shè)計屏過9-4管子處管壁最高溫度為579℃（設(shè)計監(jiān)控溫度）。查閱溫度監(jiān)控記錄，運行過程中屏過9-4管子和其他類似位置管子的壁溫均維持在575℃左右，使用溫度接近設(shè)計監(jiān)控溫度上限，但未超過上限。檢查其他管排管子未見如屏過9-4管子一樣的脹粗等外觀異常，由此可以排除整個屏式過熱器區(qū)域超溫的可能。

在相同的運行環(huán)境下，僅屏過9-4產(chǎn)生了脹粗和爆管，說明屏過9-4脹粗和爆管是由于其本身個體差異造成的。

將屏過9-4管子集箱入口處割開檢查，未發(fā)現(xiàn)異物堵塞。將下彎頭和焊縫處割開，未發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有氧化皮堆積。對該管進(jìn)行吹管，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部異物。排除屏過9-4管子管內(nèi)異物堵塞導(dǎo)致介質(zhì)流通不暢造成壁溫驟升的可能。

硬度檢測結(jié)果顯示1月份新更換的屏過9-4管子母材整體硬度過低，為核實其硬度低的原因是原始管材原因還是長時超溫后的強(qiáng)度降低的結(jié)果，查閱同年1月13日的換管記錄，檢修公司換管時硬度檢測的值為155 HB，ASME A213標(biāo)準(zhǔn)上T91的硬度要求是≤250 HB，沒有硬度下限要求，檢修公司按照ASME A213標(biāo)準(zhǔn)評定新管硬度合格，正常進(jìn)行換管操作，未進(jìn)行金相和力學(xué)性能試驗。而我國的DL/T 438—2009標(biāo)準(zhǔn)上對T91受熱面管的硬度范圍規(guī)定了其下限值180 HB，屏過9－4在1月新?lián)Q的T91管硬度值比DL/T 438—2009規(guī)定的下限值還低約20%。更換后的新管硬度過低，說明其強(qiáng)度也低，強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計使用預(yù)期要求，管子的最高可用溫度、壓力等可用參數(shù)也比設(shè)計值低。

爆口2附近彎管的爐前半圈表面結(jié)焦厚度達(dá)到了2 mm，這會造成管壁溫度升高，加劇管壁氧化［6］。所以，實際運行中屏過區(qū)域溫度測點是575℃，但此彎頭結(jié)焦較厚部分的壁溫必然超過575℃，甚至可能已經(jīng)超過T91材質(zhì)在過熱器上的可用溫度上限625 ℃［7］。

因此，一方面，新?lián)Q管材本身強(qiáng)度不夠?qū)е缕鋵嶋H可用溫度降低，這是內(nèi)因；另一方面，管壁結(jié)焦嚴(yán)重導(dǎo)致該部位管壁溫度比實際測點監(jiān)測到的575℃要高，這是外因；在內(nèi)因和外因兩方面因素綜合作用下，結(jié)焦的管壁溫度超過了其實際可用溫度，長時間運行后，產(chǎn)生長時 “低幅度超溫”（未超過Ac1溫度840 ℃［7］）。

管子長時間低幅度超溫條件下運行，原子擴(kuò)散加劇，蠕變速度加快，持久強(qiáng)度降低，達(dá)不到設(shè)計壽命就提前在本身結(jié)構(gòu)較為薄弱的彎頭背弧面爆裂形成爆口2。

3.2 爆口1的產(chǎn)生原因

爆口2產(chǎn)生后，由于管內(nèi)介質(zhì)的泄漏，管內(nèi)流量減少，介質(zhì)傳熱能力大幅度下降，會導(dǎo)致整個屏過9－4管子的管壁溫度急劇升高，焊縫部位因截面突變，影響尤為顯著。

焊縫1的硬度明顯低于其兩側(cè)母材硬度，兩側(cè)熱影響區(qū)附近母材橫截面上硬度不均勻，這說明焊縫1的焊接工藝不當(dāng)。焊接工藝不當(dāng)，導(dǎo)致附近管段周向上各位置強(qiáng)度塑性不均勻，受熱膨脹時不能均勻膨脹，硬度強(qiáng)度低的一側(cè)膨脹較大，硬度強(qiáng)度高的一側(cè)膨脹相對小，長時間運行后，就出現(xiàn)像脹粗1和脹粗2一樣的現(xiàn)象：爐后半圈脹粗明顯，管壁減薄嚴(yán)重，爐前半圈未見明顯脹粗減薄。

同時，由于1月份新?lián)Q的焊縫1以下管段硬度過低，強(qiáng)度不及焊縫1以上的正常性能管段，所以，焊縫1以下的脹粗2管段的膨脹減薄速度比脹粗1處的速度快，同一橫截面上，脹粗2的爐后側(cè)強(qiáng)度更低，膨脹導(dǎo)致的壁厚減薄速度比爐前側(cè)更快，當(dāng)壁厚達(dá)不到使用強(qiáng)度要求時，發(fā)生爆裂形成爆口1。

所以，爆口1是在爆口2產(chǎn)生后引起的介質(zhì)流量減少管壁溫度升高，管子整體強(qiáng)度不夠和焊縫1焊接工藝不當(dāng)三方面因素共同作用下的超溫爆管。

4 結(jié)語

爆口2是原始爆口，其產(chǎn)生的直接原因是長時超溫，爆口1是因爆口2的產(chǎn)生后連鎖反應(yīng)引發(fā)的二次爆管。

如果將新?lián)Q的屏過9－4管段整體強(qiáng)度不夠稱作“原因1”，彎管背弧面結(jié)構(gòu)薄弱部位表面結(jié)焦嚴(yán)重導(dǎo)致管壁溫度升高稱作“原因2”，焊縫1的焊接工藝不當(dāng)導(dǎo)致其附近管段周向強(qiáng)度塑性不均稱作 “原因 3”，那么，“原因 1”和“原因 2”兩方面因素綜合作用導(dǎo)致了爆口2的長時超溫爆管。爆口2的產(chǎn)生使管內(nèi)介質(zhì)流量減少管壁溫度急劇升高，加上 “原因1”和“原因3”的綜合作用導(dǎo)致了爆口1處的超溫膨脹減薄不均爆管。

為避免類似事故再次發(fā)生，建議對屏式過熱器其他位置的管子進(jìn)行硬度檢測，下次大修時割管進(jìn)行金相檢驗和力學(xué)性能試驗。