(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

為提高發(fā)電效率、降低成本、實現(xiàn)節(jié)能降耗，發(fā)展大容量、高參數(shù)的超臨界、超超臨界機組是我國火力發(fā)電機組的主要趨勢，這對電站關(guān)鍵部件的金屬材料性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)低鉻和鉻鉬系列電站鍋爐用鋼的工作溫度和高溫強度較低，無法適應(yīng)高參數(shù)機組部件承受高溫、高壓的需求。因此，必須開發(fā)新型耐高溫、高壓、腐蝕的鍋爐用鋼。T91鋼是在9Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低碳含量，并加入礬、鈮、氮等合金化元素進行微合金化處理，同時嚴(yán)格控制硫、磷元素含量而得到的新型馬氏體耐熱鋼。T91鋼具有優(yōu)異的高溫持久強度和良好的高溫抗氧化及耐腐蝕性能，同時還具有良好的韌性及焊接性能，自引入我國之后，被用于壁溫不高于600 ℃的過熱器及再熱器管材[1-2]。

隨著大容量、高參數(shù)機組的投產(chǎn)運行，鍋爐四管(水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管)泄漏問題尤為突出，約占國內(nèi)鍋爐事故的2/3[3-4]。為提高火電機組安全，實現(xiàn)經(jīng)濟運行，對四管泄漏事故的分析及預(yù)防尤為重要。

某國產(chǎn)600 MW超臨界W型火焰鍋爐投產(chǎn)運行僅一個月，屏式過熱器管就發(fā)生了爆管泄漏。該過熱器管的材料為SA213-T91鋼，規(guī)格為φ38 mm×9 mm。爆口位于彎頭外弧面，彎曲角度約150°，泄漏位置如圖1所示。為查明過熱器管爆管泄漏的原因，筆者對其進行了檢驗和分析。

圖1 過熱器管泄漏位置示意圖Fig.1 Diagram of the leak position of superheater tube

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

對發(fā)生爆管的過熱器管進行宏觀形貌觀察，由圖2可見，爆口位于彎頭外弧面處，爆口呈鼓包狀，沿縱向開裂，長度約為30 mm，最寬處約為0.5 mm，爆口處管段脹粗部位最大直徑約為44.92 mm；爆口邊緣呈鈍邊，壁厚有所減薄，最薄處壁厚約為1.36 mm；爆口周圍外表面存在大量沿縱向開裂(平行于爆口)的氧化皮。將管件沿縱向剖開后，在爆口處的管內(nèi)表面也發(fā)現(xiàn)有大量縱向平行分布的樹皮狀裂紋，且有龜裂、脫落現(xiàn)象，呈典型過熱特征，見圖2b)。爆口背側(cè)管樣內(nèi)、外表面無宏觀裂紋，見圖2c)。距爆口約17 cm處的接頭環(huán)焊縫內(nèi)部存在焊瘤，見圖2d)，焊瘤的存在導(dǎo)致過熱器管內(nèi)部通路變窄，氣流通行受阻。

1.2 化學(xué)成分分析

對發(fā)生爆管的過熱器管取樣進行化學(xué)成分分析。由表1可知，其鉻含量略高于ASME A213/A213M-18StandardSpecificationforSeamlessFerriticandAusteniticAlloy-steelBoiler,Superheateater,andHeat-exchangerTubes和GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對SA213-T91鋼的要求，其他各元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。

圖2 發(fā)生爆管的過熱器管宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the burst superheater tube: a) whole; b) inner wall of burst mouth; c) inner wall of back side of burst mouth; d) inner wall of joint

表1 過熱器管的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of superheater tube (mass fraction)

1.3 硬度測試

按照GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,采用HBE-3000A型電子布氏硬度計對過熱器管的不同位置取樣進行硬度測試，每個位置測試3次，取平均值。由表2可知過熱器管在爆口處及爆口附近的布氏硬度均低于ASME SA213-2018中對T91鋼布氏硬度要求范圍的下限值(190 HBW)，其中爆口處的硬度最低，僅為158.3 HBW。

表2 過熱器管硬度測試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of superheater tube HBW

1.4 金相檢驗

將硬度測試的試樣經(jīng)過打磨、拋光、浸蝕后，利用Leica DM 2500M型光學(xué)顯微鏡進行微觀形貌觀察，結(jié)果如圖3和圖4所示。T91鋼的正常組織應(yīng)為細小的回火板條馬氏體，由于馬氏體發(fā)生相變，馬氏體晶粒內(nèi)會形成大量的亞晶，使位錯密度增大，晶粒高度細化，晶界上彌散分布著M23C6型和MC型合金碳化物。而由圖3可見，該管爆口處顯微組織為鐵素體+碳化物顆粒，馬氏體位向難以辨認，組織完全老化；由圖4可見，距爆口約10 cm處的顯微組織中板條馬氏體位向明顯分散，局部出現(xiàn)等軸狀晶粒，組織亦老化明顯。

圖3 過熱器管爆口處顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of burst mouth of superheater tube

圖4 距爆口約10 cm處的過熱器管顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of superheater tube about 10 cm away from burst mouth

1.5 掃描電鏡及能譜分析

使用Tescan VEGA 3 LMU型掃描電子顯微鏡(SEM)對過熱器管的爆口處進行觀察。由圖5可知，過熱器管組織老化主要表現(xiàn)為：馬氏體板條的浮凸形貌基本消失，轉(zhuǎn)化為呈多邊體狀的等軸鐵素體；碳化物含量增高，且在鐵素體晶內(nèi)和晶界上偏聚長大呈珠狀分布。此外，部分區(qū)域還可觀察到蠕變裂紋，裂紋多萌生于晶粒交界和粗大析出相形成處。

圖5 過熱器管爆口處SEM形貌Fig.5 SEM morphology of burst mouth of superheater tube:a) at low magnification; b) at high magnification

利用Oxford X-act型能譜儀對過熱器管爆口處的析出相進行定性分析。析出相形貌及分析位置見圖6。結(jié)果顯示其主要合金元素為鉻、鉬，結(jié)合T91鋼中析出相的形成特點可知，該析出相為M23C6型碳化物。

圖6 過熱器管析出相的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of precipitate phase of superheater tube

過熱器管爆口處及爆口背側(cè)內(nèi)外表面均存在氧化層，以爆口處內(nèi)壁氧化皮為例進行SEM觀察分析。由圖7可見，氧化皮分為內(nèi)、外兩層，外層氧化皮較為疏松，靠近基體的內(nèi)層氧化皮更加致密。富鉻的內(nèi)氧化層為保護性氧化膜，使基體材料具有較好的抗高溫氧化能力，而外氧化層的抗氧化能力較差[5]。當(dāng)過熱器管在高溫下服役生成的氧化皮達到一定厚度，溫度波動或應(yīng)力變化就會使其發(fā)生脫落。

圖7 過熱器管爆口處內(nèi)壁氧化皮的SEM形貌Fig.7 SEM Morphology of oxide on inner wall of burst mouth of superheater tube

2 分析與討論

過熱器管爆口宏觀形貌具有典型的長時過熱開裂特征，環(huán)焊縫內(nèi)壁存在的焊瘤致使該管段氣流通行受阻，蒸汽流量減少導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽溫度升高，易引起超溫運行。

T91鋼中的碳是起固溶強化作用最明顯的元素；鉻主要用于提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕能力；鉬的再結(jié)晶溫度很高，是影響高鉻耐熱鋼高溫蠕變斷裂強度的重要合金元素；釩的加入能與碳形成細小而穩(wěn)定的合金碳化物。T91鋼較低的碳含量可以保證鋼的塑形、工藝性能以及碳化物的穩(wěn)定性，細小彌散分布的M23C6型碳化物和MX相是其熱強性能高的主要原因。但鉻、鉬元素高溫時易從基體向碳化物中轉(zhuǎn)移，引起M23C6型碳化物顆粒的粗化，不利于碳化物的熱穩(wěn)定性。添加礬、鈮、氮元素可以使鋼中析出細小彌散的MX相，其與碳固溶的同時會阻止鉻、鉬從基體向碳化物中轉(zhuǎn)移，提高鋼的高溫持久強度。因此，過高的溫度和鉻含量不利于M23C6型碳化物的熱穩(wěn)定性。

由硬度測試結(jié)果可知，爆口位置及其附近的硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的最小值。王學(xué)等[6]的研究成果表明，T91鋼硬度的顯著下降是由于M23C6型碳化物的快速粗化導(dǎo)致位錯密度迅速降低，因此可用硬度來判斷T91鋼組織的老化程度。T91鋼的正常組織應(yīng)為細小的回火板條馬氏體，正火+回火熱處理實現(xiàn)了板條馬氏體強化、界面強化、位錯強化、顆粒強化與固溶強化的復(fù)合強化效應(yīng)[7]。而該過熱器管爆口處組織老化，馬氏體位向的分散破壞了T91鋼的強度。

金屬材料的性能是由合金的成分及微觀組織結(jié)構(gòu)決定的，在長時間高溫和應(yīng)力作用下，顯微組織的老化和蠕變損傷引起了管材強度的下降，同時使得材料硬度降低，這與硬度測試結(jié)果一致。對于該過熱器，其組織中馬氏體板條的消失說明板條內(nèi)高密度位錯數(shù)量減少；合金元素由固溶體向碳化物轉(zhuǎn)移，材料固溶強化效果下降；組織老化后聚集在晶界的大顆粒碳化物使得晶界強化效果下降。碳化物相成分的變化表明合金中的鉻、鉬元素隨時間的延續(xù)從基體轉(zhuǎn)移至碳化物中，并使碳化物逐漸長大、粗化，削弱了鉻、鉬元素的固溶強化作用，而聚集在晶界的粗大碳化物則導(dǎo)致材料界面強化效果下降。

氧化皮分析結(jié)果表明，該過熱器管在運行期間存在內(nèi)、外壁氧化的現(xiàn)象，尤其是內(nèi)壁形成的蒸汽氧化層阻隔了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱量交換，導(dǎo)致管的熱傳導(dǎo)性能惡化，使得該管段實際使用溫度隨運行時間的增加不斷升高。過熱器管內(nèi)外壁的氧化現(xiàn)象導(dǎo)致壁厚隨運行時間逐漸減薄，這意味著管壁承受的應(yīng)力將不斷升高[8]。溫度和應(yīng)力狀態(tài)的變化使得管材老化和蠕變損傷加劇，從而導(dǎo)致材料強度降低。

3 結(jié)論

(1) 該鍋爐屏式過熱器管發(fā)生爆管泄漏主要是由于管的環(huán)焊縫內(nèi)部存在焊瘤，蒸汽流通不暢，造成管材超溫運行。此外，過熱器管內(nèi)壁氧化皮熱阻較大，影響蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱量交換，加劇了超溫現(xiàn)象。

(2) 超溫運行導(dǎo)致過熱器管顯微組織老化，組織中板條馬氏體分解，M23C6型碳化物在鐵素體晶內(nèi)和晶界上偏聚長大，管材的強度，管壁承壓能力下降，最終導(dǎo)致過熱爆管。