T91鋼管在超超臨界壓力鍋爐中的應用

李洪濤，王海梅，魏玉忠

（華電國際鄒縣發電廠，鄒城273522）

1 鍋爐概況

某機組為國內首批1 000MW超超臨界機組，于2006年投產，鍋爐為超超臨界壓力變壓運行燃煤本生型直流鍋爐，Π型布置，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼架、懸吊結構。高溫再熱器出口聯箱選用進口P91鋼，與聯箱連接管段選用國產T91耐熱鋼管（直徑50．8mm、壁厚4mm），壁溫報警值648℃。截至2011年11月機組累計運行3×104h。

2011年鍋爐在檢修中對高溫再熱器（簡稱高再）出口T91材質連接管進行蠕脹測量，發現脹粗現象，832根高再管子中約有200根管子存在脹粗，其中脹粗超過上限的管段有10根。T91鋼管宏觀檢查外壁顏色發黑，有明顯的氧化皮，局部氧化皮剝落［1－2］。

2 高再出口連接管性能評估

為全面了解高再出口T91鋼連接管性能水平和組織狀態，對服役管段隨機割管進行性能評價（根據位置依次編號為1號～7號），為機組檢修金屬監督和設備改造提供技術依據。

2．1 樣管宏觀檢驗

依據DL／T 438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》等標準，采用外觀目視檢查、管子外徑、厚度檢測等檢驗方法，對送檢管進行宏觀檢驗以及尺寸測量。取樣管外壁有明顯的氧化皮，呈黑色，脹粗率為1．02%、1．12%。依據 DL／T 438第9．3．12條規定：當T91管外徑蠕變值大于1．2%時應及時予以更換。

2．2 樣管力學性能試驗

依據GB／T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB／T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗》，在AG－IC島津電子拉伸萬能試驗機上進行室溫和高溫拉伸試驗，加載位移速率為2mm／min，條件屈服強度使用引伸計測定，采用弧形試樣，保留試樣原始表面狀態。高溫拉伸試驗的溫度為620℃（溫度選取參考實際運行溫度）。試驗結果見表1及表2。

表1 T91室溫拉伸試驗結果

表2 T91高溫（620℃）拉伸試驗結果

由表1及表2可以看出：樣管室溫抗拉強度和屈服強度滿足GB 5310對T91鋼的要求，3號樣管的室溫抗拉強度低于GB 5310對10Cr9Mo1VNbN鋼的要求。2號、3號、4號及5號樣管室溫抗拉強度和屈服強度低于制造廠家提供原始管數據；620℃下樣管的屈服強度低于日產T91鋼的屈服強度，2號、4號樣管的抗拉強度低于日產T91鋼的抗拉強度，1號、6號樣管略高于日產T91鋼的抗拉強度。

2．3 樣管硬度檢驗

依據GB／T 4340—2009《金屬維氏硬度試驗第1部分試驗方法》進行測量，1號～7號樣管的硬度滿足DL／T 438對T91鋼的要求，相對原始管硬度值，取樣材質硬度下降的趨勢明顯。

2．4 樣管金相檢驗

依據DL／T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》對七組樣管進行金相檢驗，在金相顯微鏡蔡司“Axiover”200MAT下觀察。圖1為5號基體氧化皮顯微圖片。

圖1 5號樣管內壁氧化皮

從檢測結果看：1號～7號樣管內、外壁都有較厚的氧化皮，內壁氧化皮厚度為74．77～328．66μm，組織為板條馬氏體＋碳化物，碳化物在晶界析出。根據DL／T 884中關于T91鋼的老化級別評定，老化級別為3～4級。

2．5 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡對析出物及內壁氧化皮進行觀察，組織為板條馬氏體＋碳化物，部分碳化物在晶界析出。圖2為5號樣管基體圖片。

圖2 5號樣管基體圖片（1 000倍）

2．6 金屬管壁當量運行溫度計算

高溫鍋爐管內壁氧化皮的增長厚度與其在該段服役期內的當量金屬溫度有一定的對應關系。某段管子不管曾經在何種溫度、何種應力條件下運行了多少時間，其壽命的損耗程度總可以等效于在某一固定的金屬溫度及特定的應力條件下服役了相同時間，這個等效的金屬溫度就稱之為當量金屬溫度。當量金屬溫度可以按照美國及加拿大普遍采用的Laborelec經驗公式計算，即：

式中：T為金屬溫度，℃；x為管子內壁氧化層厚度，mm；t為管子已運行時間，h，運行時間按照30 000h計算；a、b為特定材料常數。

按式（1）計算，樣管的當量運行溫度為612～623℃，見表3。

表3 當量溫度計算

3 性能分析

根據T91的材料特性和設計、運行狀況分析結果表明：樣管經30 000h的運行后內壁有較厚的氧化皮，且材料的性能有所下降。根據氧化皮厚度計算的當量運行溫度結果，樣管的當量運行溫度為553～623℃，與根據電廠提供的T91管實際運行溫度為620℃相符。

T91管長期在此溫度下運行，內壁容易生長大量的氧化皮，且性能下降速度較快。根據文獻報道，T91的內壁氧化皮一般分為兩層，內層為Fe較為致密的氧化層，外壁為Fe較為疏松的氧化層。當T91管使用溫度超過600℃，或氧化皮厚度達到0．2～0．4mm時，氧化皮容易發生開裂和剝落。

4 評估結論及改造方案

T91管子高溫下運行3×104h后，高再出口管材組織為板條馬氏體＋碳化物，碳化物在晶界析出，根據DL／T 884中關于T91鋼的老化級別評定，老化級別為3～4級，相對原始管，其材質硬度、強度下降趨勢明顯。當量運行溫度計算表明：T91管的當量運行溫度在612～630℃。此溫度超出T91鋼推薦使用的長時運行溫度600℃。

國內首批1 000MW超超臨界機組再熱汽熱端管道選用P91鋼，對應的高再出口聯箱及管接頭也選用91類鋼。機組運行實踐證明：應用于再熱器出口的管道選材等級偏低，特別是高再出口連接管，設計溫度624℃，壁溫報警溫度設置最高達648℃，部分時間段（如低負荷區間）實際運行溫度超過620℃。近年來投產的機組，對再熱器熱端管道材料進行了升級，選用了抗氧化性和高溫性能更好的 T92／P92鋼［3］。

高再聯箱布置見圖3。蒸汽經立式管屏加熱進入高再出口分配集箱，再水平進入高再出口混合集箱。改造方案是將分配聯箱和連接管材料升級為T92／P92鋼，分配聯箱與連接管管座焊縫、下部與管屏相連異種鋼焊縫可在制造廠家完成，焊接和熱處理質量得到保證，同時兼顧分配聯箱材料升級改造一步到位，便于現場施工。改造方案見圖4，粗黑色線條為更換部件。

圖3 高再聯箱布置示意圖（單位：mm）

圖4 高再出口聯箱改造更換示意圖（單位：mm）

5 結語

由上述分析可知：高再出口連接管設計時選用T91材料不能滿足機組長期安全運行，所以應從源頭解決鍋爐受熱面早期失效問題，確保選材的合理性。

高溫過熱器、屏式過熱器、高溫再熱器出口連接管分布在爐膛以外，屬于非受熱面，材料等級一般低于爐膛內受熱面。另外，受壁溫報警值設置、鍋爐燃燒變化、機組負荷變化等影響，連接管實際壁溫存在超過設計溫度或材料許用溫度區間，造成材質提早老化。高溫受熱面金屬監督檢查往往較重視爐膛內部分高溫段和立式管屏下彎頭等薄弱區域，忽視了對出口連接管的監督，一些潛在隱患不能及早發現，容易造成管材失效爆管，因此應重視對高溫受熱面出口連接管的金屬監督檢查，檢修時重點檢查相應管段的脹粗和金相組織，定期割管檢查其內壁氧化情況、組織和力學性能，及時發現設備隱患并加以預防，減少安全事故的發生。

［1］羅玉英，朱慶勝．超臨界機組高溫受熱面氧化皮脫落分析與處理措施［J］．科技傳播，2011（18）：68－69．

［2］黃穎．T91／P91鋼管在電站鍋爐上的應用［J］．發電設備，1998，12（3）：26－27，30，44．

［3］于濱，苗淑紅．超臨界鍋爐氧化皮預防處理研究［J］．電力建設，2009，30（2）：101．