2000t/h超超臨界鍋爐末級過熱器爆管原因分析

國投宣城發(fā)電有限責任公司 陳學進 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院 王若民

本文對某公司鍋爐末級過熱器管爆漏失效進行原因分析。結果表明，末級過熱器管爆口處金相組織劣化，檢查排除該管短時超溫爆管，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。

末級過熱器；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)變壓運行直流爐，鍋爐為單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、四墻切圓燃燒、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型布置。2015年5月30日鍋爐首次點火，2015年6月6日#2 發(fā)電機首次并網(wǎng)成功，6月13日發(fā)現(xiàn)末級過熱器泄漏，泄漏時鍋爐負荷592MW，主汽溫度578℃、主汽壓力23.35MPa。停爐后檢查確認末級過熱器左數(shù)第34排、自外圈數(shù)起第4圈管（以下簡稱“34-4”）入口段下部爐前側彎頭爆管，至爆管時鍋爐累計運行時間260小時。鍋爐末級過熱器共56排，每排15圈管，末級過熱器出口設計壓力26.15MPa 、設計溫度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

本文通過對末過泄漏管、備品樣管、鍋爐廠生產(chǎn)余料樣管進行了外觀、理化、力學性能檢驗和分析，給出了爆管原因。

1 試驗檢查

1.1 宏觀檢查及幾何尺寸測量。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，沿管子軸向開裂，爆口長約152mm、最寬處約38mm，彎頭外弧側最小壁厚7.0mm、內(nèi)弧側最大壁厚9.7mm。爆口邊緣鈍化，壁厚無明顯減薄，無明顯塑性變形，為脆性爆口。爆口附近外壁無異常氧化，無縱向宏觀裂紋，內(nèi)壁光滑無明顯氧化皮。根據(jù)爆口兩側邊緣形狀判斷爆口處有小塊金屬崩掉。對末過34-4管段進行脹粗測量，沿爆口上、下端每隔100mm測量1點、共測9點，除爆口處因開裂變粗外（管徑62.43mm），管子無明顯脹粗（管徑在51.08～51.43mm）。

1.2 化學成分分析。對末過泄漏管、S30432備品管、鍋爐廠余料樣管取樣在SPECTRO TEST全定量光譜儀上進行化學成分分析，所有檢測樣管的化學成分符合ASME標準要求。

1.3 金相組織檢查。分別在34-4管爆口邊緣（開口最大處）、彎頭內(nèi)弧面（爆口對側）、距離爆口0.6m的遠端和S30432備品管、S30432鍋爐廠余料樣管、爆口上側約2米處TP347H管上沿橫向取樣，采用FeCl3鹽酸水溶液進行腐蝕，在Carl Zeiss Axio Observer金相顯微鏡上觀察其金相組織，檢查結果見表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，組織已嚴重劣化。爆口對側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 力學性能檢測

1.4.1 拉伸試驗。在爆口上、下端及S30432備品管、鍋爐廠余料樣管分上別截取2個拉伸試樣，在三思CMT5105萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，檢測樣管RP0.2、Rm符合ASME標準要求。

1.4.2 硬度檢測。分別在爆口邊緣、遠端和S30432備品管、鍋爐廠余料樣管取樣，用HBE-3000A布氏硬度計進行布氏硬度檢測，硬度分別為HBW171、172、163、165，符合ASME標準要求（HBW≤219）。

1.4.3 沖擊試驗。分別在爆口附近直管段、上下口遠端和S30432備品管段上截取V型缺口試樣，在JB-300C沖擊試驗機上進行夏比沖擊試驗，試驗方法按《GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，樣管Akv2分別為43J、58J、64J、87J。ASME標準中雖然未給出S30432的沖擊吸收功標準，但試驗結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 功能故障類別

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

2 試驗結論和原因分析

2.1 檢測結果表明泄漏管、備品管、鍋爐廠余料樣管化學成分和力學性能符合ASME SA-213 標準要求。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，應主要為彎曲成型造成，還有少量爆管時的減薄效應。對于彎頭，當彎管時外側受拉應力使壁厚減薄，內(nèi)側受壓應力使壁厚增厚，這是一種正?，F(xiàn)象。

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

2.4 末過34-4管彎頭上方2米直管材料為TP347H，泄漏的彎頭及爐后側直管材料為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材料會更易劣化。但從金相檢測結果看，末過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34-4整根管子超溫的可能。

2.5 末過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，該彎頭可不進行固溶處理。該彎頭制造過程中，制造廠未進行固溶處理，可以排除熱處理工藝不當造成彎頭金相組織不合格問題。

2.6 鍋爐沖管后、啟動前，電廠開展了鍋爐清潔度專項檢查：割開集箱手孔采用內(nèi)窺鏡檢查，對所有節(jié)流孔采用射線檢查，對分隔屏、后屏、末過、末再下部彎頭采用磁性檢查，檢查結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、末過進出口集箱內(nèi)無異物，檢查發(fā)現(xiàn)的其他異物均已割管清理干凈。

在鍋爐運行期間，由于后屏過熱器第2、34屏共計5根管壁溫高于鍋爐廠設定值，特此制定了相應運行措施，嚴格控制后屏過熱器管壁溫和后屏過熱器出口蒸汽溫度。在此期間，末過出口蒸汽溫度遠低于鍋爐設計值，也未發(fā)現(xiàn)末過管超溫報警現(xiàn)象。末過34-4管未安裝壁溫測點，但末過34排管屏上共裝有5 個壁溫測點：出口管從爐后數(shù)第1、2、6、12、15 根管，鍋爐運行中該管屏上述管子壁溫均低于鍋爐廠設計限值。

2.7 從泄漏管硬度檢測結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，其硬度值應高于直段管子硬度，因此推測在彎頭爆口附近曾實施過類似消除應力退火的加熱過程，加熱方向為沿彎頭曲率方向。泄漏管相對備品管硬度整體偏高的原因應與該管段在使用后大量的碳化物析出有關。

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

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

3 小結

3.1 末過34-4泄漏的彎頭不具備短時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超溫爆管。末過34-4管彎頭處組織嚴重劣化、直管段組織也存在一定程度劣化，是導致此次爆管的主要原因。

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

3.3 對于S30432等奧氏體不銹鋼管在制造、檢修階段應禁止任何隨意加熱過程；若制造工藝需要進行對管子加熱時（如管子彎曲半徑小，采用熱彎工藝），必須進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.SA-213M-2010 鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鋼管鐵素體和奧氏體合金鋼管子[S].中國石化出版社.2010

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

[3]張玉潔等.S30432耐熱鋼650 ℃時效的組織和力學性能[J].材料熱處理學報.2011.3：90-94