羅江勇，陳良峰，薛 智，吳金勇

(1.珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519005；2.珠海鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519005)

作為目前電力能源的主要獲取方式，火力發(fā)電一直占據(jù)著絕對優(yōu)勢。隨著近年來國內(nèi)外火力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和國家對環(huán)保要求的不斷提高，對火力發(fā)電機組的效率要求也相應不斷提高，越來越多的大容量機組隨之投入運行。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國在役的600 MW超臨界機組已超過600臺[1-2]，且有相當數(shù)量的機組處于建設(shè)階段，因此如何保證數(shù)量龐大的大容量機組安全穩(wěn)定運行是一個值得深入研究的課題。在600 MW及以上的大容量機組中，因鍋爐受熱面爆漏而造成停機事故的占到40%以上[3-4]，這當中又因運行工況惡劣的末級過熱器、高溫再熱器爆漏問題占絕大多數(shù)[5-6]。某電廠鍋爐為600 MW超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，為單爐膛，一次中間再熱，四角切圓燃燒，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。機組于2007年投運，2020年7月，鍋爐末級過熱器管發(fā)生爆管泄漏，原始爆口位于鍋爐左數(shù)第25屏管前數(shù)第12根(編號25-12)氣流出口方向，本文對爆管進行失效分析，旨找出爆管原因，對后續(xù)類似事件的預防提供一定參考。

1 試驗儀器與方法

采用OPTIMA2100DV型全譜只讀等離子發(fā)射光譜儀對爆管段進行化學成分分析，HVS-50Z自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計進行硬度檢測，100 kN AG-IC 島津電子萬能材料試驗機進行力學性能測試及金相分析，EBSD掃描電子顯微鏡及能譜一體化系統(tǒng)進行掃描電鏡觀察及能譜分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 宏觀檢查

爆管材料為TP347HFG，規(guī)格為Φ38×7 mm，對爆管管段進行宏觀檢查，如圖1(a)所示，爆口位于末級過熱器彎頭出口段，軸向開裂長約35 mm，寬約3～4 mm，爆口處管壁減薄不明顯，且爆口無明顯的塑性變形，斷面粗糙，呈現(xiàn)出長時過熱的特征。爆口附近外壁還有輕微的吹損特征。將爆管縱向剖開，查看內(nèi)壁氧化皮的脫落情況，如圖1(b)所示，由圖1可知，管段內(nèi)壁氧化皮有明顯脫落痕跡。

(a)爆口形貌

2.2 化學成分分析

表1為爆管段的化學成分分析結(jié)果，表中同時列出了ASME SA-213對TP347HFG化學成分要求。結(jié)果可見，爆管段的化學成分符合標準規(guī)定。

表1 化學成分分析結(jié)果 單位：wt%

2.3 力學性能測試

表2為爆管段在不同溫度下的拉伸性能試驗結(jié)果，表中同時列出了相關(guān)標準在對應溫度下的拉伸性能要求。由表2可知，爆管段的室溫拉伸性能及高溫屈服強度均滿足相關(guān)標準要求。

表2 拉伸性能測試結(jié)果

表3為金相試樣表面硬度測試結(jié)果，表中同時列出了ASME SA-213標準對TP347HFG鋼管的硬度要求。結(jié)果可見，爆管段的硬度值符合ASME SA-213標準規(guī)定。

表3 硬度測試結(jié)果 HV10

2.4 金相檢驗

圖2為正常管段和爆管段的母材橫截面中心金相組織照片和氧化皮厚度，由圖2可知，管段顯微組織均為奧氏體+孿晶+碳化物(或析出物)，平均晶粒度約8級，部分晶界析出物在試樣侵蝕過程中發(fā)生脫落，基體中可見少量的形變滑移線。其中正常管段的內(nèi)壁氧化皮平均厚度為67 μm，爆管段的氧化皮平均厚度為120 μm，爆口段的的氧化皮厚度顯著大于該管段氣流進口段。

(a)正常管段金相組織

圖3為斷口顯微組織形貌，由圖3可知，斷口附近顯微組織中存在明顯的老化特征，大顆粒析出物沿晶界分布，部分析出物呈鏈狀；斷口呈脆性的沿晶斷裂特征，斷口附近組織中還存在大量的沿晶蠕變裂紋，尤其在靠近外壁側(cè)裂紋相對較多；管段內(nèi)壁也出現(xiàn)較多沿氧化皮開裂的微小裂紋，裂紋向金屬基體擴展，但擴展深度尚較淺。

圖3 斷口顯微組織形貌

2.5 析出相能譜分析

將斷口采用三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕后，置于掃描電鏡下觀察，如圖4所示，晶界析出物大部分已脫落，但仍能看到部分未脫落的沿晶界分布的塊狀析出物，及部分薄片狀(或條狀)析出物。

(a)放大倍數(shù)3000×

對圖4中的晶界析出物進行能譜分析，其結(jié)果如圖5所示，分布在晶界的大塊狀析出物大部分均為富Fe、Cr的化合物，根據(jù)其質(zhì)量分數(shù)可以推斷其主要為σ相；此外，晶界大塊狀析出物中還存在少量富Nb的析出相，該析出相主要在管段原始制造過程中形成。結(jié)合晶界析出相能譜分析，結(jié)果表明,晶界析出相主要為Cr23C6，塊狀的σ相，以及少量的Nb的碳化物。σ相是一種硬而脆四方結(jié)構(gòu)的Fe-Cr金屬間化合物，σ相形成非常緩慢，一般在550～800 ℃，并且在應力狀態(tài)下長期使用才會出現(xiàn)，且溫度越高σ相析出所需時間越短，相同時間內(nèi)的析出量越大。σ相的析出，會導致不銹鋼硬度升高，沖擊性能下降，使材料嚴重脆化，承受應力的能力降低；σ相在晶界聚集，會導致微裂紋和蠕變孔洞的產(chǎn)生，嚴重降低奧氏體鋼的塑性、韌性、持久強度和蠕變壽命。

圖5 能譜分析結(jié)果

3 結(jié)論

綜上分析，該管爆口處管壁減薄不明顯，且爆口無明顯的塑性變形，斷面較為粗糙，管段內(nèi)壁氧化皮均有明顯脫落；管段金相組織為奧氏體+孿晶，基體中均存在較多的析出相，爆口段的的氧化皮厚度顯著大于該管段氣流進口段，爆管管段材質(zhì)為TP347HFG，設(shè)計運行溫度550～590 ℃，運行時間>2×105h，爆管段的氧化皮厚度達120 μm，可見爆口管段存在運行溫度過高的情況；本次爆管性質(zhì)為長時過熱爆管，其主要原因為管段長時超溫運行后，脆性的σ相等析出物導致管段脆化所致。建議通過內(nèi)窺鏡、割管等手段查找管子內(nèi)部及聯(lián)箱入口是否存在有局部異物堵塞情況，在該管壁上方調(diào)整溫度測點位置或增加溫度測點數(shù)量，提高對管段局部超溫的監(jiān)測，并嚴格控制鍋爐運行溫度，避免超溫運行。