電站TP304H 鋼末級過熱器爆管原因分析

劉天佐，郭凱旋，武芯羽，劉獻良，賴云亭

（1.華電國際電力股份有限公司技術服務分公司，山東 濟南 250014；2.華電鄒縣發(fā)電有限公司，山東 濟寧 273500；3.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 爆管情況

某電廠5號鍋爐為亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、懸吊式平行雙煙道倒U型燃煤汽包爐，于1997年1月投產(chǎn)。

2020年1月25日，鍋爐上水，投入爐底加熱39 h而未開機，期間末級過熱器壁溫17℃至94℃。2月 5日 22∶56， 鍋爐點火。 2月 6 日 17∶28，5號爐“四管泄漏”報警發(fā)出。機組解列后檢查發(fā)現(xiàn)末級過熱器泄漏，爆口位置位于前屏入口段距離底部彎頭約3.9 m處，如圖1所示。末級過熱器位于爐膛上部出口，沿爐寬布置37排，每排由13根管子組成。末級過熱器管規(guī)格為57.15 mm×6.4 mm （直徑×壁厚），材質為TP304H鋼。

圖1 爆口情況

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢查

爆口管宏觀照片如圖2所示。爆口開口較大，宏觀上呈現(xiàn)出較大的塑性變形，管段在爆裂中或爆裂后的沖擊碰撞中出現(xiàn)嚴重的彎曲變形，部分爆口碎片已脫落。爆口一端（J2試樣位置）有輕微脹粗；距離爆口約400 mm（J1試樣位置）無明顯脹粗或減薄；爆口開口最大處唇邊壁厚約4.7 mm，有明顯的減薄。爆口整體呈現(xiàn)出較明顯的過熱特征［1］。主爆口的兩側外壁有較多的平行于爆口的縱向裂紋，內外壁觀察未見有明顯的氧化皮脫落現(xiàn)象。

2.2 化學成分分析

化學成分分析結果如表1所示，管段的化學成分符合ASME SA－213《無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》對TP304H鋼管及 GB／T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對07Cr19Ni10的要求。

圖2 爆口管宏觀形貌及取樣位置

表1 化學成分分析結果（質量分數(shù)） %

2.3 力學性能測試

表2為管段取樣的拉伸性能試驗結果，各取樣的室溫抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2和斷后延伸率A均滿足標準要求。參考 GB／T 5310—2017對07Cr19Ni10的高溫塑性規(guī)定可知，管段高溫力學性能也滿足規(guī)定。表3為管段取樣的維氏硬度試驗結果，各金相試樣取樣維氏硬度測試結果均符合標準對相應牌號的硬度要求。爆口位置取樣J3和J4硬度值相對直管段略高。

2.4 金相分析

圖3為爆口位置取樣金相檢驗結果。J1（距離爆口一端約400 mm的直段取樣）各個區(qū)域顯微組織均為奧氏體+孿晶，晶界有較多的細小碳化物顆粒聚集，組織為輕度老化。內壁氧化皮厚度約85 μm，內外壁表面未見明顯的軋折等缺陷。J2（爆口一端取環(huán)狀試樣）宏觀上平行于爆口的縱向微裂紋微觀下均為沿晶開裂，裂紋內部有明顯的氧化層，且裂紋附近基體中有大量的沿晶蠕變孔洞。裂紋側和對側基體金相組織均為奧氏體+孿晶，裂紋側基體中晶界碳化物顆粒尺寸顯著大于裂紋對側基體，表明裂紋側基體組織的老化程度相對另一側較重。J3（斷口截面取樣）近外壁側為沿晶開裂特征，外壁表面也有較多的沿晶微裂紋，內部有較多的蠕變孔洞；靠近內壁側斷口截面晶粒出現(xiàn)明顯的拉長變形特征，周邊也有大量的蠕變孔洞，為明顯的塑性撕裂。J4（爆口背側）金相組織為奧氏體+孿晶，晶界有少量的碳化物顆粒聚集，組織為輕度老化。

表2 拉伸性能測試結果

表3 硬度性能測試結果

圖3 金相取樣顯微組織

3 分析與討論

管段取樣的化學成分、力學性能及顯微組織等檢驗結果均滿足相關標準規(guī)定，可排除材料本身不合格的因素。另外，距離爆口一端約400 mm的直段取樣的金相組織為奧氏體+孿晶，組織為輕度老化，內外壁表面未見明顯的軋折等缺陷。因此，管段因長時超溫或內外壁表面存在缺陷造成爆管的可能性也可基本排除［2］。

主爆口呈現(xiàn)較大的塑性變形，開口最大處有明顯的減薄，斷面為粗糙的顆粒狀鈍邊特征；近爆口處管段有輕微脹粗，距離爆口稍遠處則無明顯脹粗或減??；爆口的兩側外壁還有較多的平行于爆口的縱向裂紋，宏觀上表現(xiàn)為過熱特征［3］。這些平行于爆口的縱向微裂紋微觀下均為沿晶開裂，且裂紋附近基體中有大量的沿晶蠕變孔洞。斷口截面近外壁側為沿晶開裂，近內壁側的晶粒出現(xiàn)明顯的拉長變形特征，周邊基體也有大量的蠕變孔洞，為明顯的塑性撕裂［4］，微觀上也具有過熱爆口的典型特征。另外，裂紋側基體組織的老化程度相對裂紋對側較重。表明管段在超溫過程中加速了碳化物的沿晶析出，造成爆口側組織老化［5］。

本次取樣檢驗時發(fā)現(xiàn)，管段內壁氧化皮并無明顯脫落，且現(xiàn)場氧化皮檢測時也未發(fā)現(xiàn)氧化皮堆積的跡象，因此可排除氧化皮堆積堵管的可能。此外，經(jīng)電廠反饋，在此次停爐期間，該管系并未開展檢修工作，因此也可排除因異物進入造成堵管的可能。末級過熱器溫度測點監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示，管段并未出現(xiàn)大幅度超溫，因此也可排除煙溫異常的因素。

爆口位置位于前屏入口段距離底部彎頭約3.9 m處，若彎頭段出現(xiàn)堵塞，則蒸汽入口段由于氣流阻滯將無法帶走管段多余熱量，導致受熱面金屬壁溫升高。根據(jù)運行情況記錄，2020年1月25日發(fā)生鍋爐上水，末級過熱器壁溫17℃至94℃，隨后暫不開機的情況，在鍋爐隨后冷卻的過程中容易使受熱面底部U型彎頭造成積水。在U型彎出現(xiàn)堵塞時，安裝在末級過熱器大包內出口的溫度測點無法反映出過熱器U彎入口側管壁的實際壁溫，因此不能表明爆口所在位置不存在超溫的情況。同時，機組在啟動過程中升溫過快，在機組負荷較低的情況下汽包與過熱器出口壓差小，不利于鍋爐受熱面中的汽水循環(huán)。

此次爆管發(fā)生在鍋爐啟機過程中，為超溫過熱爆管，爆管位置在入口段U型彎頭附近，從爆管時間特征、爆口性質和爆管位置特征來看，與水塞引起的爆管相吻合［6］。因此，分析認為末級過熱器泄漏為水塞引起的過熱爆管。

4 結論及建議

通過理化性能檢驗結果及分析，判定本次爆管原因主要是鍋爐啟動過程中過熱器底部彎頭發(fā)生水塞現(xiàn)象，管內蒸汽流動受阻，從而引起管段超溫過熱爆管。

建議加強鍋爐運行管理，嚴格按照規(guī)程規(guī)定啟動鍋爐，防止升溫升壓速度過快，或適當延長鍋爐啟動時間，防止受熱面管積水造成水塞。鍋爐啟動初期，也可采用對空排汽或開大旁路閥門的方式，加大過熱器進、出口壓差，使過熱器管內蒸汽流量增加，將積水蒸發(fā)排除。鍋爐停爐后，進行鍋爐排汽及疏放水，并利用停爐后的余熱烘干受熱面內的積水。