張建偉

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院， 西安 710021)

再熱器管作為電站鍋爐“四管”之一，具有提高熱效率、提升汽輪機(jī)排汽干度、降低汽耗、減輕汽輪機(jī)末級(jí)葉片的侵蝕及降低排煙溫度等作用。再熱器工作區(qū)域溫度高、環(huán)境惡劣，其一旦失效將給電廠帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。

筆者對(duì)某火電廠600 MW亞臨界鍋爐屏式再熱器的爆管管樣和對(duì)比管樣進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)宏觀檢查和相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)屏式再熱器爆管原因進(jìn)行分析。

1 機(jī)組概況

該火電廠1號(hào)機(jī)組為600 MW亞臨界機(jī)組，鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、正壓直吹、四角切圓、平衡通風(fēng)、干排渣、П形半露天布置、全鋼構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)、控制循環(huán)的汽包鍋爐。機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為56 000 h時(shí)，該鍋爐屏式再熱器從左向右數(shù)第19屏的夾屏彎管發(fā)生了爆管，爆管位置見(jiàn)圖1。

圖1 爆管管樣和對(duì)比管樣的位置

屏式再熱器管的規(guī)格為Φ63×4(外徑為63 mm、壁厚為4 mm)、材質(zhì)為12Cr1MoVG鋼，運(yùn)行參數(shù)為541 ℃、3.4 MPa。

通過(guò)對(duì)爆管管樣和對(duì)比管樣進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分檢測(cè)、厚度測(cè)量、蠕變應(yīng)變測(cè)量、室溫力學(xué)性能試驗(yàn)、顯微組織檢驗(yàn)、垢量及垢樣成分檢測(cè)等相關(guān)試驗(yàn)，并結(jié)合管子的壁溫估算和強(qiáng)度校核，分析屏式再熱器爆管的原因。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀檢查

管樣的宏觀形貌見(jiàn)圖2。1號(hào)管樣為爆管管樣，2號(hào)管樣(位置為屏式再熱器從左向右數(shù)第19屏向火面第3根)為對(duì)比管樣。

圖2 管樣的宏觀形貌

1號(hào)管樣的爆口位于夾屏管垂直段焊縫下部直管處，爆口呈喇叭狀，爆口的縱向最大長(zhǎng)度約為208 mm、橫向最大長(zhǎng)度約為163 mm。爆口處發(fā)生明顯塑性變形，且邊緣鋒利、明顯減薄，為典型薄唇形爆破(見(jiàn)圖3)。管樣明顯脹粗，且內(nèi)壁和外壁均附著有明顯的氧化皮，爆口附近的最小壁厚為1.94 mm。2號(hào)管樣宏觀形貌檢查未見(jiàn)脹粗和明顯的壁面氧化現(xiàn)象。

圖3 1號(hào)管樣爆口的形貌及邊緣壁厚測(cè)量

在1號(hào)管樣爆口下部直段和2號(hào)管樣的直段，每隔100 mm取測(cè)量點(diǎn)，得到管樣的外徑和壁厚測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)表1)。由表1可得：1號(hào)管樣直管段明顯脹粗，管樣的外徑蠕變應(yīng)變?yōu)?.30%～10.32%，超過(guò)DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求的蠕變應(yīng)變(2.5%)。向火面和背火面的壁厚最大減薄率分別為15.00%和12.50%，均滿足DL/T 438—2016對(duì)在役機(jī)組再熱器管壁厚減薄率的要求(不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)壁厚的30%)。2號(hào)管樣的外徑和壁厚未見(jiàn)異常。

表1 管樣的外徑及壁厚測(cè)量結(jié)果

2.2 化學(xué)成分檢測(cè)

1號(hào)管樣和2號(hào)管樣的化學(xué)成分見(jiàn)表2，2個(gè)管樣均符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中對(duì)12Cr1MoVG的化學(xué)成分要求。

表2 管樣的化學(xué)成分

2.3 室溫力學(xué)性能試驗(yàn)

在1號(hào)、2號(hào)管樣的向火面和背火面分別選取2個(gè)拉伸試樣進(jìn)行室溫力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 室溫力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可得：2號(hào)管樣的性能指標(biāo)都符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；1號(hào)管樣的抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，屈服強(qiáng)度雖然符合標(biāo)準(zhǔn)要求，卻比2號(hào)管樣的屈服強(qiáng)度低30%左右。1號(hào)管樣可能存在長(zhǎng)期超溫現(xiàn)象，導(dǎo)致其內(nèi)壁和外壁的氧化皮較厚，管子的傳熱效率降低，顯微組織發(fā)生變化，進(jìn)而使力學(xué)性能下降。2號(hào)管樣內(nèi)壁未見(jiàn)明顯氧化皮附著，其力學(xué)性能合格，表明超溫并非屏式再熱器整體超溫，而是單根管超溫。

2.4 顯微組織檢驗(yàn)

在1號(hào)管樣的向火面、背火面和爆口處分別取試樣進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 1號(hào)管樣的顯微組織

由圖4可得：1號(hào)管樣向火面的顯微組織為鐵素體+碳化物+少量珠光體，碳化物向晶界偏聚，珠光體已分解，僅有極少量的珠光體區(qū)域，碳化物聚集于晶界上呈鏈狀、條塊狀分布，珠光體球化達(dá)4級(jí)，同時(shí)，向火面顯微組織晶粒大小不均勻，鐵素體晶粒存在長(zhǎng)大現(xiàn)象，有不完全再結(jié)晶導(dǎo)致的混晶現(xiàn)象，推測(cè)管子存在短時(shí)超溫，溫度接近A1線；背火面珠光體球化程度略好于向火面，但珠光體球化也達(dá)到3級(jí)；爆口處的顯微組織為拉長(zhǎng)的鐵素體+碳化物，并存在孔洞和微裂紋。

在2號(hào)管樣取試樣進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可得：2號(hào)管樣向火面的顯微組織為鐵素體+貝氏體，聚集態(tài)的貝氏體形態(tài)較清晰，晶界上有少量顆粒狀碳化物析出，晶粒大小基本均勻，晶粒度5～6級(jí)，貝氏體球化約2級(jí)，顯微組織未見(jiàn)異常，其組織劣化程度較1號(hào)管樣輕。

圖5 2號(hào)管樣的向火面顯微組織

此外，1號(hào)管樣內(nèi)壁和外壁發(fā)生了嚴(yán)重氧化，氧化皮厚度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6。內(nèi)壁氧化皮厚度的最大值為436.72 μm、平均值為419.55 μm；外壁氧化皮厚度的最大值為284.35 μm、平均值為214.24 μm。雖然1號(hào)管樣的內(nèi)壁氧化皮厚度未超過(guò)DL/T 939—2016 《火力發(fā)電廠受熱面管監(jiān)督技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)鐵素體鋼再熱器內(nèi)壁氧化皮厚度的要求，但已經(jīng)接近其要求的上限(0.5 mm)。2號(hào)管樣內(nèi)壁和外壁氧化皮厚度的平均值分別為48.82 μm、49.00 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1號(hào)管樣，說(shuō)明1號(hào)管樣的運(yùn)行溫度比2號(hào)管樣高。

圖6 1號(hào)管樣內(nèi)壁和外壁的氧化皮厚度測(cè)量

2.5 斷口檢測(cè)

對(duì)1號(hào)管樣爆口附近進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)爆口附近表面附著有亮白色氧化物，為典型的高溫氧化特征。能譜分析發(fā)現(xiàn)氧化物為鐵的氧化物，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7和表4。

圖7 1號(hào)管樣爆口附近氧化物掃描電鏡分析

表4 爆口處氧化物能譜分析結(jié)果

2.6 垢量及垢樣成分檢測(cè)

對(duì)1號(hào)管樣的垢量及垢樣成分進(jìn)行檢測(cè)，管樣的垢量為2 389.6 g/m2，垢樣成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。垢樣的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Fe3O4(66%)、FeO(32%)、Fe(2%)。

表5 1號(hào)管樣垢樣成分檢測(cè)結(jié)果

1號(hào)管樣的垢量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)DL/T 794—2012 《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》中“當(dāng)過(guò)熱器垢量超過(guò)400 g/m2應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗”的建議值。1號(hào)管樣垢樣中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%的FeO，而FeO在低于575 ℃的條件下具有熱不穩(wěn)定性，可以分解生成Fe和Fe3O4[2]。1號(hào)管樣的垢樣中有大量FeO進(jìn)一步驗(yàn)證了1號(hào)管長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)熱狀態(tài)，且管壁溫度超過(guò)575 ℃。

3 管子的壁溫估算及強(qiáng)度校核

3.1 壁溫估算

在役鍋爐受熱面管子向火面內(nèi)壁氧化皮厚度和管子的使用溫度存在定量關(guān)系，根據(jù)DL/T 654—2009《火電機(jī)組壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》，12Cr1MoVG鋼管子金屬壁溫的估算公式為：

lgx=6.839 869+0.003 860×T1+

0.000 283T1×lgt

(1)

式中：x為管子向火面內(nèi)壁氧化層厚度，mils(1 mils=2.54×10-5m)；T1為蘭氏溫度，°R(1 °R=5/9 K)；t為管子的運(yùn)行時(shí)間，h。

經(jīng)計(jì)算，鍋爐運(yùn)行56 000 h，1號(hào)管樣的實(shí)際使用溫度為589 ℃，而用12Cr1MoVG鋼制造受熱面管子時(shí)，其使用溫度上限為580 ℃(根據(jù)DL/T 715—2015 《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》)，1號(hào)管在實(shí)際使用過(guò)程中存在長(zhǎng)期超溫運(yùn)行現(xiàn)象。12Cr1MoVG鋼在使用溫度低于580 ℃時(shí)具有良好的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，但是在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生珠光體球化現(xiàn)象，輕度或中度的珠光體球化對(duì)其持久強(qiáng)度影響不大，但完全球化組織會(huì)顯著降低其高溫強(qiáng)度[3]。

3.2 強(qiáng)度校核

管樣的計(jì)算厚度δt和最小需要厚度δmin的計(jì)算公式為：

(2)

δmin=δt+C1

(3)

式中：p為計(jì)算壓力，MPa；Do為管子外徑，mm；φmin為最小減弱系數(shù)，取1；[σ]為許用應(yīng)力，MPa；C1為腐蝕裕量，mm，取0.5 mm。

根據(jù) GB/T 16507.4—2013 《水管鍋爐 第4部分：受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》，12Cr1MoVG鋼管子在589 ℃時(shí)的許用應(yīng)力為44 MPa。該屏式再熱器在589 ℃和3.4 MPa的運(yùn)行工況下，其計(jì)算厚度為2.34 mm，最小需要厚度為2.84 mm。而1號(hào)管樣實(shí)測(cè)的最小厚度(去除內(nèi)壁和外壁氧化皮后)為2.68 mm，說(shuō)明1號(hào)管樣的實(shí)際最小需要厚度小于該運(yùn)行工況下的最小需要厚度。

4 綜合分析

爆管管樣的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，排除了管子材質(zhì)錯(cuò)用的情況。爆口處呈喇叭狀，且邊緣鋒利，顯微組織為拉長(zhǎng)的纖維狀鐵素體加碳化物，有典型的短時(shí)超溫爆管特征。同時(shí)，向火面晶粒大小不均勻，鐵素體晶粒有長(zhǎng)大現(xiàn)象，并且有不完全再結(jié)晶導(dǎo)致的混晶現(xiàn)象，可推測(cè)管子存在短時(shí)超溫，并且溫度接近A1線。直管段明顯脹粗，且內(nèi)壁和外壁均附著有明顯的氧化皮，管子在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期處于超設(shè)計(jì)溫度狀態(tài)，而屏式再熱器正常運(yùn)行溫度(541 ℃)較高，超溫裕度較小。垢樣中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%的FeO，表明管子在實(shí)際使用中，溫度長(zhǎng)期超過(guò)575 ℃。通過(guò)壁溫估算，管子金屬壁溫為589 ℃，而12Cr1MoVG鋼用作為受熱面管子時(shí)，其使用溫度上限為580 ℃。在長(zhǎng)期超溫運(yùn)行的情況下，爆管管樣向火面珠光體球化達(dá)到4級(jí)(完全球化)，導(dǎo)致管子的高溫強(qiáng)度顯著降低，而其塑性較高，在內(nèi)壓的作用下，管子的變形量增大，直管段明顯脹粗，爆口邊緣顯著減薄，爆管管樣的室溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果和蠕變應(yīng)變測(cè)量結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。另外，在運(yùn)行過(guò)程中，氧化皮厚度增加，管子的傳熱效率和實(shí)際壁厚降低，使管子的運(yùn)行應(yīng)力增加，加速了屏式再熱器管的蠕變，最終導(dǎo)致屏式再熱器管爆破失效。

爆管管樣為屏式再熱器的夾屏管，在煙道內(nèi)不斷受到高溫?zé)煔獾臎_刷和氧化腐蝕的作用，管子壁厚減薄，也間接促使管子爆破失效。而其他位置的管樣的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合要求，說(shuō)明超溫屬于個(gè)別現(xiàn)象，排除屏式再熱器整體或整屏超溫。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 該屏式再熱器爆管的原因是管子在長(zhǎng)期超溫運(yùn)行狀態(tài)下，顯微組織劣化，力學(xué)性能下降；爆管前，管子存在短時(shí)超溫，其高溫強(qiáng)度不滿足要求，最終導(dǎo)致爆管。

(2) 生成的氧化皮伴隨煙氣沖刷的作用，導(dǎo)致管子的有效承載厚度降低，進(jìn)一步促使管子爆破失效。