2000t/h超超臨界鍋爐末級(jí)過(guò)熱器爆管原因分析

國(guó)投宣城發(fā)電有限責(zé)任公司 陳學(xué)進(jìn) 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院 王若民

本文對(duì)某公司鍋爐末級(jí)過(guò)熱器管爆漏失效進(jìn)行原因分析。結(jié)果表明，末級(jí)過(guò)熱器管爆口處金相組織劣化，檢查排除該管短時(shí)超溫爆管，該管金相組織劣化的直接原因可能是使用前被非正常加熱。

末級(jí)過(guò)熱器；金相組織劣化；非正常加熱

某公司#2鍋爐為HG-2000/26.15-YM3超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，鍋爐為單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、四墻切圓燃燒、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型布置。2015年5月30日鍋爐首次點(diǎn)火，2015年6月6日#2 發(fā)電機(jī)首次并網(wǎng)成功，6月13日發(fā)現(xiàn)末級(jí)過(guò)熱器泄漏，泄漏時(shí)鍋爐負(fù)荷592MW，主汽溫度578℃、主汽壓力23.35MPa。停爐后檢查確認(rèn)末級(jí)過(guò)熱器左數(shù)第34排、自外圈數(shù)起第4圈管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“34-4”）入口段下部爐前側(cè)彎頭爆管，至爆管時(shí)鍋爐累計(jì)運(yùn)行時(shí)間260小時(shí)。鍋爐末級(jí)過(guò)熱器共56排，每排15圈管，末級(jí)過(guò)熱器出口設(shè)計(jì)壓力26.15MPa 、設(shè)計(jì)溫度605℃。泄漏管段材料SA-213 S30432，規(guī)格φ51×9mm，彎頭彎曲半徑R=200mm，彎曲角度90°。

圖1：爆管宏觀形貌

本文通過(guò)對(duì)末過(guò)泄漏管、備品樣管、鍋爐廠生產(chǎn)余料樣管進(jìn)行了外觀、理化、力學(xué)性能檢驗(yàn)和分析，給出了爆管原因。

1 試驗(yàn)檢查

1.1 宏觀檢查及幾何尺寸測(cè)量。爆漏管宏觀形貌如圖1所示，爆口位于彎頭最大彎曲半徑的外弧面，呈喇叭狀，沿管子軸向開(kāi)裂，爆口長(zhǎng)約152mm、最寬處約38mm，彎頭外弧側(cè)最小壁厚7.0mm、內(nèi)弧側(cè)最大壁厚9.7mm。爆口邊緣鈍化，壁厚無(wú)明顯減薄，無(wú)明顯塑性變形，為脆性爆口。爆口附近外壁無(wú)異常氧化，無(wú)縱向宏觀裂紋，內(nèi)壁光滑無(wú)明顯氧化皮。根據(jù)爆口兩側(cè)邊緣形狀判斷爆口處有小塊金屬崩掉。對(duì)末過(guò)34-4管段進(jìn)行脹粗測(cè)量，沿爆口上、下端每隔100mm測(cè)量1點(diǎn)、共測(cè)9點(diǎn)，除爆口處因開(kāi)裂變粗外（管徑62.43mm），管子無(wú)明顯脹粗（管徑在51.08～51.43mm）。

1.2 化學(xué)成分分析。對(duì)末過(guò)泄漏管、S30432備品管、鍋爐廠余料樣管取樣在SPECTRO TEST全定量光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析，所有檢測(cè)樣管的化學(xué)成分符合ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 金相組織檢查。分別在34-4管爆口邊緣（開(kāi)口最大處）、彎頭內(nèi)弧面（爆口對(duì)側(cè)）、距離爆口0.6m的遠(yuǎn)端和S30432備品管、S30432鍋爐廠余料樣管、爆口上側(cè)約2米處TP347H管上沿橫向取樣，采用FeCl3鹽酸水溶液進(jìn)行腐蝕，在Carl Zeiss Axio Observer金相顯微鏡上觀察其金相組織，檢查結(jié)果見(jiàn)表1。

管樣金相組織檢查可以看出：34-4管爆口裂紋邊緣試樣奧氏體晶界有大量的碳化物析出，且明顯粗大，存在大量的裂紋和孔洞，組織已嚴(yán)重劣化。爆口對(duì)側(cè)奧氏體晶界碳化物大量析出粗化，存在少量孔洞，組織劣化；遠(yuǎn)端試樣組織存在一定程度的劣化，晶界處碳化物析出較多，部分區(qū)域碳化物有粗化現(xiàn)象。TP347H管樣（爆口上側(cè)約2米處）、S30432備品爐管和鍋爐生產(chǎn)余料樣管金相組織正常。

1.4 力學(xué)性能檢測(cè)

1.4.1 拉伸試驗(yàn)。在爆口上、下端及S30432備品管、鍋爐廠余料樣管分上別截取2個(gè)拉伸試樣，在三思CMT5105萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，檢測(cè)樣管RP0.2、Rm符合ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4.2 硬度檢測(cè)。分別在爆口邊緣、遠(yuǎn)端和S30432備品管、鍋爐廠余料樣管取樣，用HBE-3000A布氏硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，硬度分別為HBW171、172、163、165，符合ASME標(biāo)準(zhǔn)要求（HBW≤219）。

1.4.3 沖擊試驗(yàn)。分別在爆口附近直管段、上下口遠(yuǎn)端和S30432備品管段上截取V型缺口試樣，在JB-300C沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按《GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，樣管Akv2分別為43J、58J、64J、87J。ASME標(biāo)準(zhǔn)中雖然未給出S30432的沖擊吸收功標(biāo)準(zhǔn)，但試驗(yàn)結(jié)果表明金相組織劣化后，材料沖擊吸收功也出現(xiàn)明顯下降，尤其是爆口處材料韌性下降明顯。

表1 功能故障類(lèi)別

1.4.4 選取兩個(gè)批次鍋爐廠余料管截取試樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。晶間腐蝕試驗(yàn)方法采用《ASTM A262-13檢測(cè)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范》中的E法（銅-硫酸銅-16%硫酸法），每支樣管取三個(gè)試樣（其中一個(gè)為空白對(duì)比試樣），對(duì)樣品進(jìn)行1小時(shí)675℃的敏化處理，之后在16%的H2SO4+CuSO4微沸溶液中加熱15h后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，所有檢測(cè)樣品均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

2 試驗(yàn)結(jié)論和原因分析

2.1 檢測(cè)結(jié)果表明泄漏管、備品管、鍋爐廠余料樣管化學(xué)成分和力學(xué)性能符合ASME SA-213 標(biāo)準(zhǔn)要求。備品管、鍋爐廠余料樣管金相組織和晶粒度良好。

2.2 彎頭頂彎處存在一定的減薄現(xiàn)象，應(yīng)主要為彎曲成型造成，還有少量爆管時(shí)的減薄效應(yīng)。對(duì)于彎頭，當(dāng)彎管時(shí)外側(cè)受拉應(yīng)力使壁厚減薄，內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力使壁厚增厚，這是一種正?，F(xiàn)象。

2.3 彎頭爆口處無(wú)明顯塑性變形，管段無(wú)明顯脹粗，爆口內(nèi)外壁均無(wú)異常氧化及軸向裂紋等現(xiàn)象，此次爆管不具備短時(shí)超溫爆管的宏觀特征。

2.4 末過(guò)34-4管彎頭上方2米直管材料為T(mén)P347H，泄漏的彎頭及爐后側(cè)直管材料為S30432，S30432較TP347H高溫性能更優(yōu)，如果存在異物堵塞超溫現(xiàn)象，TP347H材料會(huì)更易劣化。但從金相檢測(cè)結(jié)果看，末過(guò)34-4管材料為S30432的下部彎頭、直段金相組織均存在不同程度的劣化，而TP347H管段的金相組織正常，因此可以排除末過(guò)34-4整根管子超溫的可能。

2.5 末過(guò)34-4彎頭采用冷彎成型，彎曲半徑R=200mm，R/D=200/51=3.92＞10/3。根據(jù)R/D 的數(shù)值，按《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第I卷動(dòng)力鍋爐建造規(guī)則》PG-19：奧氏體材料的冷加工成型，該彎頭可不進(jìn)行固溶處理。該彎頭制造過(guò)程中，制造廠未進(jìn)行固溶處理，可以排除熱處理工藝不當(dāng)造成彎頭金相組織不合格問(wèn)題。

2.6 鍋爐沖管后、啟動(dòng)前，電廠開(kāi)展了鍋爐清潔度專(zhuān)項(xiàng)檢查：割開(kāi)集箱手孔采用內(nèi)窺鏡檢查，對(duì)所有節(jié)流孔采用射線(xiàn)檢查，對(duì)分隔屏、后屏、末過(guò)、末再下部彎頭采用磁性檢查，檢查結(jié)果表明部分集箱和少數(shù)節(jié)流孔前有異物，其中34-4管節(jié)流孔前、34-4管下部彎頭內(nèi)和分隔屏、后屏、末過(guò)進(jìn)出口集箱內(nèi)無(wú)異物，檢查發(fā)現(xiàn)的其他異物均已割管清理干凈。

在鍋爐運(yùn)行期間，由于后屏過(guò)熱器第2、34屏共計(jì)5根管壁溫高于鍋爐廠設(shè)定值，特此制定了相應(yīng)運(yùn)行措施，嚴(yán)格控制后屏過(guò)熱器管壁溫和后屏過(guò)熱器出口蒸汽溫度。在此期間，末過(guò)出口蒸汽溫度遠(yuǎn)低于鍋爐設(shè)計(jì)值，也未發(fā)現(xiàn)末過(guò)管超溫報(bào)警現(xiàn)象。末過(guò)34-4管未安裝壁溫測(cè)點(diǎn)，但末過(guò)34排管屏上共裝有5 個(gè)壁溫測(cè)點(diǎn)：出口管從爐后數(shù)第1、2、6、12、15 根管，鍋爐運(yùn)行中該管屏上述管子壁溫均低于鍋爐廠設(shè)計(jì)限值。

2.7 從泄漏管硬度檢測(cè)結(jié)果可以看出該管彎頭及直段的硬度基本一致，正常彎頭處經(jīng)歷加工硬化，其硬度值應(yīng)高于直段管子硬度，因此推測(cè)在彎頭爆口附近曾實(shí)施過(guò)類(lèi)似消除應(yīng)力退火的加熱過(guò)程，加熱方向?yàn)檠貜濐^曲率方向。泄漏管相對(duì)備品管硬度整體偏高的原因應(yīng)與該管段在使用后大量的碳化物析出有關(guān)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3]指出S30432管在650℃時(shí)效初期硬度快速升高，在500小時(shí)后達(dá)到峰值后略有下降，之后的長(zhǎng)期時(shí)效過(guò)程中硬度保持在較高水平；沖擊韌性在時(shí)效初期快速下降，之后雖有所降低但下降速度減慢。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明34-4管爆口處組織劣化、韌性大幅下降，考慮鍋爐僅運(yùn)行260小時(shí)且不存在異物堵塞超溫的情形，間接說(shuō)明泄漏管材料曾經(jīng)歷非正常老化過(guò)程。

2.8 綜合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析，推斷末過(guò)34-4管局部管段在鍋爐服役前就存在嚴(yán)重的碳化物析出粗化問(wèn)題，金相組織存在原始缺陷。

3 小結(jié)

3.1 末過(guò)34-4泄漏的彎頭不具備短時(shí)超溫爆管的宏觀特征且該管TP347H管段金相組織正常，可以排除該管由于異物堵塞造成短時(shí)超溫爆管。末過(guò)34-4管彎頭處組織嚴(yán)重劣化、直管段組織也存在一定程度劣化，是導(dǎo)致此次爆管的主要原因。

3.2 末過(guò)34-4管金相組織劣化的直接原因應(yīng)是使用前被非正常加熱，如制造階段當(dāng)彎頭角度發(fā)生偏差時(shí)，采用氧乙炔焰加熱校正彎頭角度。

3.3 對(duì)于S30432等奧氏體不銹鋼管在制造、檢修階段應(yīng)禁止任何隨意加熱過(guò)程；若制造工藝需要進(jìn)行對(duì)管子加熱時(shí)（如管子彎曲半徑小，采用熱彎工藝），必須進(jìn)行固溶處理改善材料組織、性能。

[1]ASME鍋爐及壓力容器委員會(huì).SA-213M-2010 鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鋼管鐵素體和奧氏體合金鋼管子[S].中國(guó)石化出版社.2010

[2]ASME鍋爐及壓力容器委員會(huì).ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第I卷,動(dòng)力鍋爐建造規(guī)則[S].中國(guó)石化出版社.2010

[3]張玉潔等.S30432耐熱鋼650 ℃時(shí)效的組織和力學(xué)性能[J].材料熱處理學(xué)報(bào).2011.3：90-94