俞曠，王甲安, 王濤英，陳陳

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電廠鍋爐末級(jí)過熱器爆管原因分析

俞曠，王甲安, 王濤英，陳陳

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

在長期過熱的運(yùn)行工況下，鍋爐高溫過熱器極易產(chǎn)生材料的劣化以及材料組織和性能的下降，最終引發(fā)爆管事故。通過宏觀檢查、布氏硬度測試、抗拉強(qiáng)度測試和金相組織檢驗(yàn)對(duì)某電廠末級(jí)過熱器爆管原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該末級(jí)過熱器管由于在長期高溫高壓下超溫運(yùn)行，導(dǎo)致碳化物在晶界富集，晶界強(qiáng)度下降，在拉應(yīng)力的作用下，晶界產(chǎn)生蠕變空洞及蠕變裂紋，使得珠光體耐熱鋼的持久強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降，最終產(chǎn)生斷裂失效。

鍋爐；末級(jí)過熱器；碳化物；珠光體耐熱鋼；蠕變裂紋；斷裂失效

0 引言

鍋爐高溫過熱器是鍋爐中運(yùn)行溫度較高的金屬部件，在長期過熱的運(yùn)行工況下，極易產(chǎn)生材料的劣化以及材料組織和性能的下降，最終引發(fā)爆管事故。而在爆管損失中，由過熱器爆管造成的事故損失最大[1]，因此對(duì)于過熱器爆管的原因進(jìn)行失效分析具有十分重大的意義。通過對(duì)爆管原因進(jìn)行分析可以采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，從而減少非停次數(shù)，改善運(yùn)行水平[2]。

12Cr1MoV鋼是在一種珠光體耐熱鋼，具有較高的熱強(qiáng)性和持久塑性，主要用于壁溫不超過580℃的過熱器管道或壁溫不超過540℃的集箱、蒸汽管道[3]。珠光體耐熱鋼在高溫情況下服役，極易產(chǎn)生珠光體球化和碳化物的聚集長大，而抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能下降。

本文擬通過宏觀檢查、金相檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)及拉伸試驗(yàn)等方法對(duì)爆管樣品以及對(duì)比管樣進(jìn)行分析測試，探究珠光體耐熱鋼爆管的原因，為今后電廠受熱面管的運(yùn)行監(jiān)督提供參考。

1 問題概述

某電廠#1鍋爐為2007年6月投入商業(yè)運(yùn)行的HG-1025/17.5-YM36型亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐。該鍋爐主蒸汽出口壓力為17.5MPa，主蒸汽出口溫度為540℃。過熱器主要由5部分組成：末級(jí)過熱器(入口段為51′9mm的12Cr1MoV，出口段為51′8 mm的SA- 213T23)、后屏過熱器(材質(zhì)為12Cr1MoV、SA- 213TP347H和SA-213TP91)、分隔屏(材質(zhì)為12Cr1MoV和SA-213TP304H)、立式低溫過熱器(材質(zhì)為15CrMo、SA-210C和20G)、水平式低溫過熱器(材質(zhì)為15CrMo和12Cr1MoV)、后煙道包墻和頂棚過熱器(材質(zhì)為20G)。

2016年12月12日該電廠#1機(jī)負(fù)荷235MW，主汽流量872t/h，爐膛負(fù)壓由-57Pa突升至50Pa，汽包水位微降，給水流量增大，鍋爐負(fù)荷下降。就地檢查漏泄報(bào)警屏10點(diǎn)至30點(diǎn)已達(dá)上限，就地傾聽有泄漏聲，就地檢查并確認(rèn)#1爐漏泄，#1爐降壓運(yùn)行。當(dāng)日14:10，#1爐主汽壓力5.0MPa、主汽溫度498℃、再熱汽溫度485℃、調(diào)節(jié)級(jí)溫度468℃，#1爐熄火。當(dāng)日16:00，入爐檢查發(fā)現(xiàn)末級(jí)過熱器右數(shù)第54排第6根管(材質(zhì)為12Cr1MoV，規(guī)格為51 mm×9 mm)漏泄。末級(jí)過熱器位于水冷壁排管后方的水平煙道內(nèi)，一共有90片，材質(zhì)為12Cr1MoV、51 mm×9mm和SA-213T23、51mm×8mm，沿整個(gè)爐寬方向布置。該末級(jí)過熱器爆管運(yùn)行時(shí)間約為62000h。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1 宏觀檢查

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該失效管樣的爆口呈菱形，爆口附近最大直徑為66.10mm，脹粗較為明顯且均勻，如圖1所示，證明該管在長期過熱運(yùn)行的工況下發(fā)生緩慢的蠕變變形。爆口附近均勻減薄，最小壁厚為7.2mm，爆口尺寸80 mm×50mm，在爆口外壁及斷口附近存在多條縱向蠕變裂紋，表面氧化皮較厚，呈現(xiàn)明顯的長期過熱特征。對(duì)比管樣經(jīng)宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)異常。

圖1 爆管樣及對(duì)比管樣宏觀形貌

圖2為爆管樣及對(duì)比管樣氧化皮的微觀形貌，可以看出爆管樣的內(nèi)壁氧化皮厚度約為對(duì)比管樣的3.56倍，且氧化皮附近的組織劣化嚴(yán)重，部分氧化皮發(fā)生脫落。氧化皮靠外側(cè)存在多孔結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)亮灰色，氧化皮靠管壁內(nèi)側(cè)呈現(xiàn)深灰色。從這種具有雙層結(jié)構(gòu)的氧化皮中可以看出存在由內(nèi)壁延伸至外壁的裂紋，在管內(nèi)高溫蒸汽的沖刷下極易剝落[4]。

由于氧化皮的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬母材小，使得管壁傳熱受阻，管內(nèi)流量下降，冷卻能力不足[5]，從而使得內(nèi)壁過熱現(xiàn)象更加嚴(yán)重[6]，且溫度的升高使得內(nèi)壁金屬的氧化速度加快，氧化皮逐漸增厚，管子的有效壁厚下降，鋼管厚度不斷減薄[7]，最終使得管子的承載能力下降，力學(xué)性能降低[8]。

圖2 爆管樣及對(duì)比管樣內(nèi)壁氧化皮微觀形貌

2.2 布氏硬度測試

對(duì)爆管樣附近母材及對(duì)比管樣的橫截面進(jìn)行布氏硬度測試，測試結(jié)果如表1所示。分析結(jié)果表明，爆管樣布氏硬度值低于GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)比管樣的布氏硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明爆管樣品的塑性變形能力和應(yīng)變硬化能力出現(xiàn)下降。

表1 布氏硬度測試結(jié)果

2.3 拉伸性能測試

采用CMT5605電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)經(jīng)過機(jī)械加工成全厚度縱向弧形試樣的爆管樣(向火側(cè)及背火側(cè))及對(duì)比管樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。拉伸性能測試結(jié)果表明，爆管樣的向火側(cè)和背火側(cè)的抗拉強(qiáng)度p0.2、屈服強(qiáng)度m和斷后延伸率明顯低于GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，其抵抗塑性變形的能力和強(qiáng)度明顯下降，而對(duì)比管樣的力學(xué)性能符合GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 拉伸性能測試結(jié)果

2.4 金相組織檢驗(yàn)

截取爆口兩側(cè)橫截面和縱截面、爆口對(duì)側(cè)橫截面和爆口遠(yuǎn)端橫截面，以及對(duì)比管樣橫截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)，侵蝕劑為體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液。金相試樣通過型號(hào)為DMI5000M金相顯微鏡放大200倍和500倍觀察并拍照，檢驗(yàn)結(jié)果見圖3(a)—(f)。

經(jīng)金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)爆口左側(cè)縱截面金相組織為鐵素體+珠光體，球化5級(jí)，見圖3(a)、(b)。爆管樣爆口右側(cè)橫截面金相組織為鐵素體+珠光體，球化5級(jí)，存在蠕變裂紋和蠕變孔洞，見 圖3(c)、(d)。爆管樣遠(yuǎn)離爆口橫截面向火側(cè)及背火側(cè)金相組織為鐵素體+珠光體，球化5級(jí)，見圖3(e)、(f)。

在高溫運(yùn)行過程中，耐熱鋼固溶體中的碳元素和鉻、鉬等合金元素向晶界擴(kuò)散，使得晶界上聚集的碳化物逐漸增加，材料基體的硬度下降[9]，這與布氏硬度的測試結(jié)果是一致的。隨著溫度的升高，晶界強(qiáng)度的下降速度比晶粒強(qiáng)度更快，晶界逐漸脆化，其抵抗變形的能力下降，使得晶界的強(qiáng)度低于晶粒強(qiáng)度，極易在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生失效。另外在拉應(yīng)力的作用下，多晶體內(nèi)部存在不均勻的應(yīng)力場，空位和原子將發(fā)生相反方向的移動(dòng)，即發(fā)生擴(kuò)散蠕變，這是材料發(fā)生蠕變變形的主要原因，而由高溫下晶界原子擴(kuò)散導(dǎo)致晶界滑動(dòng)是次要原因[10]。

隨著溫度的升高，在拉應(yīng)力的作用下，材料蠕變速度加快，蠕變變形量逐漸增加，晶界滑移繼續(xù)進(jìn)行，進(jìn)入蠕變過程的第2或第3階段，容易在晶粒交界處造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生蠕變空洞，見圖3(c)，然后蠕變空洞彼此連接，形成蠕變裂紋，見圖3(d)，最終造成材料持久強(qiáng)度的下降，導(dǎo)致沿晶斷裂即產(chǎn)生蠕變失效。

對(duì)比管樣橫截面向火側(cè)及背火側(cè)金相組織為鐵素體+珠光體，球化4.5級(jí)，見圖3(g)、(h)，組織老化程度比爆管樣品輕。

圖3 爆管樣及對(duì)比管樣微觀形貌

3 爆管原因分析及建議

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，分析該末級(jí)過熱器爆管原因可歸納為以下幾點(diǎn)：

1）由于長期過熱導(dǎo)致管子內(nèi)壁氧化皮堆積，使得管子有效壁厚降低，承載能力下降，力學(xué)性能低于標(biāo)準(zhǔn)要求。因此在鍋爐運(yùn)行中要加強(qiáng)對(duì)受熱面進(jìn)行氧化皮測量，對(duì)于存在較厚氧化皮位置的受熱面要引起高度重視(一般不超過0.6mm)，必要的時(shí)候予以更換[11-13]。另外要在末過等高溫受熱面管上增加壁溫測點(diǎn)，加強(qiáng)溫度的管控，防止管子產(chǎn)生超溫。

2）在長期高溫過熱且煙氣沖刷的惡劣工況下運(yùn)行，材料的組織老化嚴(yán)重，力學(xué)性能下降，且發(fā)生嚴(yán)重的蠕變變形。另外隨著溫度的升高，晶界碳化物逐漸聚集，晶界脆化，最終在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生蠕變空洞和蠕變微裂紋，導(dǎo)致沿晶斷裂[14-16]。因次在鍋爐防磨防爆檢查中要加強(qiáng)對(duì)受熱面的外觀檢查和外徑測量，對(duì)于明顯鼓包且漲粗嚴(yán)重的管段要根據(jù)DL/T 438―2016標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)蠕變變形的判定要求予以更換。

4 結(jié)論

通過宏觀檢查、金相檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)及拉伸試驗(yàn)等方法對(duì)爆管樣品以及對(duì)比管樣進(jìn)行分析測試，探究珠光體耐熱鋼爆管的原因。在長期過熱的工況下，材質(zhì)為12Cr1MoV的末級(jí)過熱器管壁內(nèi)壁氧化皮堆積，管子有效壁厚降低，承載能力下降，且珠光體組織嚴(yán)重球化，使得管子的力學(xué)性能降低，出現(xiàn)沿晶蠕變裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致管子破裂產(chǎn)生爆管。

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Cause Analysis of Burst Tube of Final-Stage Superheater Tube in a Power Station Boiler

YU Kuang, WANG Jiaan, WANG Taoying, CHEN Chen

(Huadian Electric Power Reserach Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, Zhejiang Province, China)

In the long-term overheating operation condition, the boiler high temperature superheater is easy to cause the deterioration of materials and the decline of material structure and performance, and causes the pipe explosion accident. The causes of burst tube of final-stage superheater tube in a power plant boiler were analysed through macroscopic examination, Brinellhardness test, tensile strength test and metallographic structure test. The analysis results show that final-stage superheater tube operatesat high temperature and pressure for a long time, resulting in the carbide enrichment at grain boundary and weaken the grain boundary strength. Under the action of tensile stress, creep cavities and creep cracks occur at grain boundary, resulting in the decrease of durable strength and tensile strength of pearliteheat-resistant steel, and finally the fracture failure occurs.

boiler; final-stage superheater tube; carbide; pearlite heat-resistant steel; creep crack; fracture failure

10.12096/j.2096-4528.pgt.18149

2018-08-14。

俞曠(1987)，男，碩士，工程師，從事材料等方面的分析測試工作，yukuang@163.com。

俞曠

(責(zé)任編輯 辛培裕)