何 華， 吳鵬飛

（1. 中國大唐集團(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；2. 陜西渭河發(fā)電有限公司，西安 712085）

0 引言

在煤粉鍋爐事故中，受熱面（過熱器、再熱器、水冷壁和省煤器）的爆管失效是最常見的故障，是鍋爐安全運(yùn)行的最大隱患。而“四管”中過熱器和再熱器的工況最為惡劣，再熱器內(nèi)的介質(zhì)不僅壓力低而且流速也較低，因此對熱偏差非常敏感[1-4]。

高溫再熱器管工作溫度高、運(yùn)行不規(guī)范，易出現(xiàn)干燒、擠壓、晃動等，導(dǎo)致高溫再熱器早期失效[5]。王甲安等[6]研究表明，12Cr1MoV鋼制高溫再熱器樣管運(yùn)行累計123 975.5 h后，基體已出現(xiàn)合金元素貧化現(xiàn)象，碳化物彌散程度增加。胡文龍等[7]對運(yùn)行 50 000 h的 12Cr1MoV 鋼管進(jìn)行了狀態(tài)評估，管子的剩余壽命約 28 000 h。因此，結(jié)合運(yùn)行工況及時間對失效管樣進(jìn)行分析，防止因超溫超壓等導(dǎo)致的再熱器再次爆管失效，對于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本研究對象為超過運(yùn)行150 000 h的高溫再熱器，對爆管的管件進(jìn)行分析。

電站鍋爐為300 MW亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)、全懸吊和平衡通風(fēng)的燃煤鍋爐。運(yùn)行中發(fā)生高溫過熱器出口集箱彎頭爆管，截止本次停運(yùn)，累計運(yùn)行時間 152 561 h，機(jī)組累計啟停 100余次，期間經(jīng)歷5次A修（對本體部件解體檢查、處理缺陷）。爆口位于再熱器出口聯(lián)箱B側(cè)至A側(cè)第7排爐側(cè)第1根，具體位置及爆口形貌見圖1、圖 2。管樣材質(zhì)為 12Cr1MoVG，規(guī)格為 ?60 mm×4 mm。

圖1 再熱器出口聯(lián)箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of the outlet header of the reheater

圖2 失效管樣位置及形貌Fig.2 Location and morphology of the failed sample

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對比管樣為第9排爐側(cè)第1根。力學(xué)性能試驗(yàn)在直管段縱向取樣，金相測試在爆口處橫向取樣，金相、顯微硬度、氧化皮測厚檢測在非聯(lián)箱側(cè)距離彎頭約600 mm處取樣，采用機(jī)械+化學(xué)拋光，4%硝酸酒精（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）浸蝕，觀察金相組織，測試顯微硬度（加載載荷為200 g）。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 斷口宏觀觀察

經(jīng)現(xiàn)場檢查測量，爆口呈窗口狀，爆口附近管徑最大為61.45 mm，爆口處最小壁厚為3.36 mm，爆口長約 175 mm，寬度約 60 mm（圖 3）。宏觀檢查結(jié)果表明，泄漏管管壁厚度無明顯減薄，管子未發(fā)生明顯脹粗，爆口附近存在較多微裂紋，管子內(nèi)外壁均存在較厚氧化皮。

圖3 爆口形貌Fig.3 Burst morphology

2.2 化學(xué)成分分析

采用光譜儀對2個管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)[8]要求。

表1 12Cr1MoVG 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction /%)

2.3 室溫力學(xué)性能檢測

參照 GB/T 228—2010[9]，對失效管樣和對比管樣分別制取拉伸試樣進(jìn)行屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率等室溫拉伸性能指標(biāo)試驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可以看出，2個管樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限值，抗拉強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)要求下限值分別下降33.51%、32.76%，斷后伸長率合格。管樣拉伸性能明顯下降，已不能滿足設(shè)計要求。

表2 室溫拉伸性能測試結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties at room temperature

2.4 硬度檢測

對2個管樣進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，所測硬度值均在 GB/T 5310—2017要求（HV0.2135～195）的下限值附近，且爆口處硬度與遠(yuǎn)離爆口處硬度差異不明顯（表 3）。

表3 硬度檢測結(jié)果Table 3 Microhardness testing results

2.5 金相檢驗(yàn)

圖4為失效管樣和對比管樣的金相組織形貌，可以看出：失效管樣組織中碳化物明顯聚集長大呈顆粒狀，鏈狀分布在晶界上，珠光體區(qū)域及形態(tài)基本消失，珠光體球化4級，晶粒度大小為7～8級，晶粒細(xì)小均勻；對比管樣組織中碳化物呈鏈狀分布在晶界上，珠光體區(qū)域消失，珠光體球化4.5級，晶粒度7～8級，晶粒均勻。金相試驗(yàn)結(jié)果表明，失效管樣材質(zhì)老化較嚴(yán)重，這也是其硬度較低、力學(xué)性能下降嚴(yán)重的內(nèi)在因素。

圖4 金相組織Fig.4 Metallurgical structure

2.6 掃描電鏡測試

在掃描電鏡下觀察失效管樣金相組織形貌，如圖5a所示。大量的碳化物沿晶界析出并聚集長大，尤其在三角晶界聚集著粗大不規(guī)則的碳化物，其尺寸約位2～4 μm。有研究表明，碳化物析出長大并成鏈狀，消弱晶界強(qiáng)度，從而會促使晶界裂紋的形成，鋼的熱強(qiáng)性顯著降低，并會出現(xiàn)脆性破裂[10]。三角晶界處聚集粗大的碳化物，會形成微觀裂紋，宏觀表現(xiàn)出材料的強(qiáng)度下降。裂紋尖端存在大量的沿晶界的二次裂紋，也說明晶界粗大的碳化物使得晶界成為組織的薄弱區(qū)域，裂紋優(yōu)先從該處產(chǎn)生，不斷擴(kuò)展并吞并其他微裂紋，最終連接起來形成宏觀裂紋（圖5b）。

圖5 失效管樣 SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of the failed pipe

2.7 氧化皮檢查

爆口處內(nèi)外壁氧化皮均勻呈灰色，外表面的氧化皮呈樹皮狀。圖6為爆口處截面裂紋尖端氧化皮形貌，可以看到內(nèi)壁氧化皮結(jié)構(gòu)分為2層，內(nèi)層致密，外層疏松；外壁氧化皮為一層結(jié)構(gòu)。

圖6 失效管樣氧化皮形貌Fig.6 Morphology of oxide scale on the failed pipe

對管樣顯微組織試樣在金相顯微鏡下進(jìn)行內(nèi)外壁氧化皮厚度測量，結(jié)果見圖7。由圖7可見，失效管樣和對比管樣內(nèi)外壁均可見氧化層，失效管樣內(nèi)、外壁氧化層最大厚度分別約為0.490、0.578 mm，對比管樣內(nèi)、外壁氧化層最大厚度分別約為0.504、0.914 mm。內(nèi)壁氧化皮厚度均已遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)[11]要求“高溫再熱器管運(yùn)行時間達(dá)到50000 h后，當(dāng)氧化層厚度超過0.5 mm時，應(yīng)對管子材質(zhì)進(jìn)行狀態(tài)評估”；對比管樣外壁氧化皮厚度超過了標(biāo)準(zhǔn)[12]中要求“當(dāng)高溫再熱器管外表面氧化皮厚度超過0.60 mm時應(yīng)及時換管”。

圖7 氧化皮厚度測量Fig.7 Measurement of oxide scale thickness

3 分析與討論

高溫再熱器來樣化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)爆口呈窗口狀，爆口邊緣未見明顯減薄，管徑未明顯脹粗。管樣室溫下抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)下限值的1/3，屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值；爆管管樣金相組織為珠光體球化4級，非爆管管樣金相組織為珠光體球化4.5級。在掃描電鏡下可見大量碳化物沿晶界析出并長大，這些碳化物的粗化降低了晶界的強(qiáng)度，降低了材料的強(qiáng)度，內(nèi)外壁氧化皮生成并向基體不斷生長，一定程度上減薄了管子壁厚。另一方面，管子在制造時需要彎曲變形，彎曲的工藝以及之后的處理工藝不當(dāng)，會有較大的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是由于冷變形后工件內(nèi)部變形不均勻引起的，有研究表明，彎管內(nèi)弧存在殘余拉應(yīng)力，外弧存在殘余壓應(yīng)力。低溫退火可以基本消除宏觀殘余應(yīng)力（不降低硬度），而微觀殘余應(yīng)力必須經(jīng)過再結(jié)晶退火才能完全消除，管子運(yùn)行溫度不足以達(dá)到再結(jié)晶溫度，這部分殘余應(yīng)力就會一直留存在材料中。運(yùn)行中管子受到頂棚及聯(lián)箱的拉應(yīng)力，使得彎頭應(yīng)力水平進(jìn)一步加大，應(yīng)力水平的變化也會加速材質(zhì)的老化。

4 改進(jìn)措施

1）將與本次取樣管連接的管及管座進(jìn)行更換，并及時對此鍋爐高溫再熱器管類似部位割管取樣，如發(fā)現(xiàn)取樣管力學(xué)性能仍不符合標(biāo)準(zhǔn)要求、組織老化、硬度值偏低等問題時，宜對問題管段全部更換。

2）在未停機(jī)前應(yīng)降低參數(shù)運(yùn)行，聯(lián)系鍋爐制造廠確定安全運(yùn)行參數(shù)，重點(diǎn)監(jiān)督該區(qū)域運(yùn)行狀況，防止發(fā)生爆管。

5 結(jié)論

1）鍋爐高溫再熱器管管徑有明顯脹粗，爆口呈窗口狀，爆口邊緣減薄不明顯；金相組織完全球化，碳化物沿晶界析出并粗化，呈鏈狀分布；室溫抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值，其中抗拉強(qiáng)度下降明顯；內(nèi)外壁氧化皮厚度測量結(jié)果均已超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）鍋爐高溫再熱器管在長期高溫高壓運(yùn)行中，受熱應(yīng)力及高壓介質(zhì)作用，材質(zhì)老化，產(chǎn)生微裂紋。

3）微裂紋發(fā)生擴(kuò)展并在尖端附近產(chǎn)生大量細(xì)小的裂紋，彎頭彎制過程中的殘余應(yīng)力，運(yùn)行中受到頂棚及聯(lián)箱的拉應(yīng)力等會加速微裂紋的擴(kuò)展長大，當(dāng)剩余壁厚不滿足工況要求時，發(fā)生爆管失效。