晏嘉陵

(中國大唐集團(tuán) 科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司, 合肥 230088)

600 MW超臨界電站鍋爐末級過熱器管爆裂失效分析

晏嘉陵

(中國大唐集團(tuán) 科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司, 合肥 230088)

通過宏觀檢驗(yàn)、室溫拉伸試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、硬度試驗(yàn)等方法對某600 MW超臨界電站鍋爐末級過熱器管發(fā)生爆裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該爆裂管經(jīng)歷過長期超溫運(yùn)行，組織老化嚴(yán)重，產(chǎn)生蠕變孔洞并連接形成裂紋，最終導(dǎo)致其在最薄弱的彎頭外弧面處發(fā)生爆裂。

末級過熱器；爆裂;失效分析；長期超溫；組織老化;蠕變孔洞

鍋爐4管(過熱器管、再熱器管、水冷壁管和省煤器管)是電站鍋爐的主要承壓和受熱部件。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，鍋爐4管事故約占國內(nèi)鍋爐事故的2/3,是影響火電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最主要因素之一[1-7]。隨著我國火電機(jī)組容量的不斷提高，汽水系統(tǒng)的壓力和溫度也相應(yīng)增加，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了諸多問題。某電廠鍋爐末級過熱器管發(fā)生爆管事故,爆裂過熱器管材料為GB 5310-2008《高壓鍋爐爐用無縫鋼管》中的10Cr9Mo1VNbN(美國牌號T91)鋼管，規(guī)格為φ38.1 mm×7.96 mm；爆裂位置為由西向東數(shù)第28排、由外向內(nèi)數(shù)第6根；過熱器管累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約6×104h。該鍋爐型號為SG-1918/25.4-M968，為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流、單爐膛、一次中間再熱、單爐膛四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、Π型燃煤鍋爐。過熱蒸汽出口設(shè)計(jì)壓力為25.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度為571 ℃。筆者對爆裂末級過熱器管進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，查明了其爆裂原因，并給出了改進(jìn)建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

爆裂末級過熱器管爆口宏觀形貌如圖1所示，爆口位于鋼管彎頭背弧面，附近無明顯脹粗，爆口沿鋼管軸向長約30 mm。由于爆管后與其他過熱器管相互吹損，爆口邊緣部分位置吹損缺失，爆口附近部分未被吹損位置有明顯龜裂紋。

1.2 室溫拉伸試驗(yàn)

在爆裂末級過熱器管上取4個拉伸試樣，使用CMT5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取4個試樣的平均值，見表1?？梢婁摴艿目估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不能滿足GB 5310-2008對10CrMo1VNbN鋼管的技術(shù)要求。

圖1 過熱器管爆口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of bursting position of the superheater tube

表1 過熱器管室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The tensile test results at room temperature of the superheater tube

1.3 金相檢驗(yàn)

在爆裂末級過熱器管爆口附近、爆口背面、距離爆口200 mm和500 mm的直管段位置分別截取金相試樣。試樣經(jīng)磨制、拋光和化學(xué)侵蝕后在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織試樣的。

圖2為爆口附近試樣的顯微組織形貌，可見爆口邊緣管內(nèi)壁有厚約0.32 mm的氧化皮，外壁氧化皮脫落嚴(yán)重，部分位置留有厚約0.13 mm的氧化皮，顯微組織晶粒細(xì)小，晶粒度在7級左右。爆口邊緣晶粒變形嚴(yán)重，附近有大量的蠕變孔洞，顯微組織為鐵素體+碳化物，馬氏體已經(jīng)完全分解，碳化物呈塊狀分布在鐵素體晶界位置。

圖2 爆口附近的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology near the bursting position:a) the bursting position; b) the inner wall of the bursting position; c) the outer wall of the bursting position;d) the edge of the bursting position

圖3為爆口背面試樣的顯微組織形貌，可見管內(nèi)壁有厚約0.17 mm的氧化皮，外壁有厚約0.12 mm的氧化皮，顯微組織晶粒細(xì)小，晶粒度在7級左右。顯微組織中大部分馬氏體分解成鐵素體+碳化物，部分碳化物在鐵素體晶界位置聚集長大成塊狀，部分碳化物仍彌散分布在基體中。

圖3 爆口背面的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of region against the bursting position:a) the inner wall; b) the outer wall; c) the middle

圖4為距離爆口200 mm處的顯微組織形貌，可見管內(nèi)壁有厚約0.20 mm的氧化皮，外壁有厚約0.27 mm的氧化皮，顯微組織晶粒細(xì)小，晶粒度在7級左右。顯微組織中馬氏體已經(jīng)完全分解成鐵素體+碳化物，部分碳化物在鐵素體晶界位置聚集長大成顆粒狀，部分碳化物仍彌散分布在基體中。

圖5為距離爆口500 mm處的顯微組織形貌，可見管內(nèi)壁有厚約0.18 mm的氧化皮，外壁有厚約0.23 mm的氧化皮，顯微組織晶粒細(xì)小，晶粒度在7級左右。顯微組織中部分區(qū)域尚有馬氏體位相，部分區(qū)域馬氏體已經(jīng)分解成鐵素體+碳化物，細(xì)小的碳化物在鐵素體晶界位置聚集，部分碳化物仍彌散分布在基體中。

圖4 距爆口200 mm處的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of region 200 mm away from the bursting position:a) the inner wall; b) the outer wall; c) the middle

圖5 距爆口500 mm處的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of region 500 mm away from the bursting position:a) the inner wall; b) the outer wall; c) the middle

1.4 硬度試驗(yàn)

利用THB-3000MDX型布氏硬度計(jì)在金相試樣表面進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表2。硬度檢測結(jié)果顯示，爆裂末級過熱器管各個位置的硬度均低于DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定的下限值。

表2 過熱器管布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The Brinell hardness test results of the superheater tube HBW

2 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，爆裂末級過熱器管的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，爆口附近顯微組織中的馬氏體完全分解為鐵素體+碳化物，基體中的合金元素以碳化物的形式析出并在晶界位置聚集長大，爆口背面以及距離爆口200 mm和500 mm位置的顯微組織也均有比較明顯的老化趨勢。在低于600 ℃運(yùn)行時(shí)，T91鋼中大量固溶的合金元素、彌散分布的碳化物和較高的位錯密度使其具有良好的抗蒸汽氧化性能和長時(shí)持久強(qiáng)度。而在超過600 ℃的條件下長期運(yùn)行時(shí)，T91鋼中的合金元素會以碳化物的形式大量地析出、聚集和長大，顯微組織中的馬氏體加速分解，基體中的固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化作用大大減弱，進(jìn)而導(dǎo)致材料的持久強(qiáng)度快速下降。

3 結(jié)論

綜合以上檢驗(yàn)和分析可知，該超臨界電站鍋爐末級過熱器管經(jīng)歷過長期超溫運(yùn)行，組織老化明顯，材料持久強(qiáng)度顯著下降。材料強(qiáng)度下降引起鋼管發(fā)生蠕變脹粗，產(chǎn)生蠕變孔洞并連接形成裂紋，最終導(dǎo)致鋼管在最薄弱的彎頭外弧面處發(fā)生爆裂。

4 建議

(1) 增加溫度檢測點(diǎn)，加強(qiáng)受熱面鋼管的溫度監(jiān)控，防止超溫運(yùn)行。

(2) 擴(kuò)大末級過熱器管的割管檢查范圍，確定管材老化趨勢，適時(shí)對末級過熱器管開展服役安全性評價(jià)，確保鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(3) 定期檢查彎頭氧化皮堆積情況，防止因氧化皮堆積造成管內(nèi)介質(zhì)流量不足而導(dǎo)致局部超溫。

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Failure Analysis on Bursting of the Final-Stage Superheater Tube in a 600 MW Ultra-Supercritical Boiler

YAN Jialing

(East China Branch, Science and Technology Research Institute Co., Ltd., China Datang Corporation, Hefei 230088, China)

The bursting failure reasons of the final-stage superheater tube in a 600 MW ultra-supercritical boiler were analyzed through the methods of macro inspection, tensile test at room temperature, metallographic examination, hardness test, etc. The results show that the bursting tube experienced long-term overheating, the microstructure was seriously aged, and creep holes formed and connected to cracks, which finally resulted in the bursting at the weakest position of the elbow outside arc surface.

final-stage superheater; bursting; failure analysis; long-term overheating; structure aging; creep hole

10.11973/lhjy-wl201706016

2017-02-28

晏嘉陵(1984-),男,工程師,碩士,從事電站金屬部件監(jiān)督及結(jié)構(gòu)壽命評估工作,jialing_yan2009@163.com

TK223.3; TG115

B

1001-4012(2017)06-0445-04