鋼102材料運行后的組織性能變化及原因分析

樓玉民，楊點中，胡潔梓

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

從2006年起，浙江省各發電廠發生了十幾起鋼102材料（2Cr2MoWVTiB steel）受熱面爆管的事故，主要集中在末級再熱器等高溫受熱面管。本文就鋼102材料運行后的組織性能變化和爆管原因作統計分析。

1 鋼102材料設計和控制壁溫

鋼102材料在各類機組中的設計壁溫和控制壁溫不盡相同。末級過熱器（包括末級過熱器、二級過熱器、高溫和對流過熱器）和末級再熱器（包括末級再熱器和高溫再熱器），其設計壁溫在570～600℃，控制壁溫在560～580℃。屏式過熱器（包括大屏過熱器、后屏過熱器）和屏式再熱器，其設計壁溫在547～600℃，控制壁溫在515～548℃。過熱爆管多發生在壁溫較高的部位。

2 運行后材料力學性能和金相組織變化

各發電廠割管試樣情況表明，鋼102材料受熱面管運行后其組織性能將發生變化，并具有明顯特征。

2.1 常溫力學性能

對不同運行時間、不同部位的管段常溫機械性能試驗結果表明：

（1）原始管子機械性能有明顯差別，說明管子原材料的性能不完全一致。

（2）運行管子實測數據有一定的分散性，這與不同管屏、管子向火側、背火側性能差別有關，運行10萬小時后，個別管子強度接近或略低于540 MPa的下限值。

（3）與原始管相比，長期運行后的管材常溫強度指標有所下降。從變化趨勢上看，在運行6萬小時、10萬小時后，其強度性能有明顯變化。

2.2 高溫力學性能

以嘉興發電廠為試驗對象，原始備品管的高溫（626℃）拉伸性能為：屈服強度330.2 MPa、抗拉強度368.6 MPa和斷面收縮率74.9%。

相對于原始備品管的力學性能，服役爐管高溫力學性能均表現出不同程度的退化現象，主要表現為屈服強度與抗拉強度下降，而斷面收縮率變化不明顯。運行10萬小時后，部分管子強度下降超過初始值的10%。

2.3 金相組織變化規律

隨著運行時間的延長，金相組織材料逐漸老化，主要表現為貝氏體中碳化物的析出和長大，并逐漸在晶界聚集。

對運行6萬小時、10萬小時、18萬小時的試樣進行觀察，結果如圖1—3所示，金相組織的變化主要是碳化物的聚集長大。運行6萬小時后，鋼中碳化物數量明顯增加，少量碳化物顆粒長大，貝氏體形貌逐漸趨于消失。10萬小時后，碳化物數量逐漸減少，顆粒逐漸長大。主要是由于鄰近的數個顆粒聚集長大成為一體，成長為大顆粒，M23C6相逐漸連接成串，向晶界聚集。到了18萬小時，碳化物數量減少，顆粒粗大，向晶界聚集。

圖1 原材料典型金相組織

圖2 運行10萬小時后金相組織

圖3 運行18萬小時后金相組織

3 內壁氧化皮厚度和當量計算壁溫

3.1 內壁氧化皮厚度

對內壁氧化皮的測量統計顯示，同一標高部位，各屏管子內壁氧化皮厚度的差別明顯，壁溫越高氧化皮越厚，與對應爐頂小室的實測壁溫基本吻合。

例如，錢清發電廠2號機組對流過熱器管在距離下彎頭約1.4 m高處的爐后側出口直管段，最大氧化皮厚度0.46 mm，最小氧化皮厚度0.19 mm，平均氧化皮厚度0.26 mm。嘉興發電廠2號機組末級過熱器離進口段下彎頭1.5 m處的直管，內壁氧化皮平均厚度為0.45 mm，最大厚度為0.54 mm。離出口段下彎頭上2.5 m處，內壁氧化皮平均厚度為0.48 mm，最大值為0.60 mm。頂棚下約2.2 m處，內壁氧化皮平均厚度為0.50 mm，最大值為0.58 mm。

3.2 爆管后的內壁氧化皮厚度與當量計算壁溫的關系

當量金屬溫度可以按照Laborelec經驗公式計算，即：

式中：T為當量金屬溫度；x為管子內壁氧化層厚度；t為管子已運行時間；a和b為特定材料常數。

鎮海發電廠3號機組高溫過熱器運行18萬余小時后爆管，爆口內壁氧化皮厚度約0.65 mm，當量計算壁溫為595℃；4號機組高溫過熱器運行16萬小時后割管，內壁氧化皮最厚處為0.54 mm，當量計算壁溫為588℃。溫州發電廠3號機組2010年7月末級過熱器爆管，爆口內壁氧化皮厚約0.50 mm，當量計算壁溫607℃；4號機組2010年4月末級過熱器爆管，爆口內壁氧化皮厚約0.45 mm，當量計算壁溫602℃。蕭山發電廠1號機組運行12萬小時后，內壁氧化皮最厚處為0.62 mm，當量計算壁溫為614℃。錢清發電廠1號機組運行7.9萬小時，內壁氧化皮最厚處為0.47 mm，當量計算壁溫608℃。錢清發電廠2號機組運行5.4萬小時，內壁氧化皮最厚處為0.46 mm，當量計算壁溫621℃。

4 鋼102材料過熱爆管宏觀和微觀特征

4.1 爆口宏觀形貌

爆口有明顯的脹粗現象，如圖4所示，爆口斷裂面粗糙、不平整，邊緣粗鈍。爆口附近有眾多平行于爆口的軸向裂紋；爆口外表面氧化層較厚，已剝落；爆口附近管徑未見明顯的塑性變形和脹粗現象。

圖4 爆口典型形貌

4.2 爆口附近金相組織

爆口尖端存在蠕變裂紋和孔洞，晶粒有變形拉長現象，如圖5所示。爆口附近內壁的氧化皮厚度約0.45～0.60 mm。爆口附近金相組織中貝氏體形貌基本消失，碳化物顆粒粗大，大部分碳化物沿鐵素體晶界分布，部分呈鏈狀，如圖6所示。

圖5 爆口附近的蠕變裂紋

圖6 爆管母材典型金相組織

5 運行后的組織性能變化和爆管原因分析

（1）氧化皮的厚度和形成速度、力學性能下降程度、金相組織老化程度和速度等，均與壁溫及運行時間直接相關。

（2）爐頂小室內壁溫度與爐內管壁實際溫度有差別，但能大致反應爐內壁溫情況。爐內管壁實際溫度與爐內燃燒工況及空氣動力場直接相關。

（3）近幾年發生的鋼102材料高溫受熱面管爆管均為長時間過熱引起，與內壁氧化皮的脫落直接相關，氧化皮堆積會造成管子堵塞，從而引起管子壁溫迅速上升。

（4）氧化皮的脫落主要與啟/停爐的速度、運行方式、減溫水投用方式等相關。統計分析顯示，微油點火燃燒方式、減溫器的失效和減溫水的異常投用均會加快氧化皮的脫落。

6 建議

（1）對高溫受熱面管增加壁溫測點，尤其高溫區域更需嚴格控制壁溫。

（2）改善燃燒工況、運行方式和減溫水投用方式，能降低高溫受熱面管壁溫度和減少氧化皮脫落的可能。

（3）必要時將鋼102材料更換為T91材料。

（4）機組計劃檢修時，應加強割管檢查和下彎頭X射線拍片檢查。

[1]王笑天.金屬材料學[M].北京：機械工業出版社，1991.

[2]蔡文河，嚴蘇星.電站重要金屬部件的失效及其監督[M].北京：中國電力出版社，2009.