超臨界670MW機組末級再熱器爆管原因分析

張傳清　劉天佐

【摘 要】通過對超臨界670MW機組末級再熱器爆管進行宏觀檢查、金相檢驗、硬度檢驗、機械性能檢驗、室溫拉伸性能試驗，實驗結果表明：爆管段存在局部堵塞，氣流不暢，使得發生堵塞的管段傳熱性能惡化，整根管段發生短時急劇超溫，管段強度性能大幅度降低，該溫度下，材質的強度不足以滿足內壓產生的應力，最終導致管段發生短時過熱爆管。

【關鍵詞】超臨界670MW機組 再熱器 爆管 分析

1 引言

某超臨界670MW機組，主汽壓力為25.4MPa、主汽溫度為571℃、再熱器管設計的壓力為5.31MPa、設計溫度為320/569（進/出）。該爐運行17200小時，末級再熱器右數第18排外數第7管圈底部彎頭迎煙側泄漏，將泄漏處彎頭T23管更換為T91。該爐換管消缺投運后21小時，末級再熱器右數第18排外數第7管圈底部彎頭上部500㎜直管泄漏。

2 試驗內容

2.1 宏觀檢查

宏觀照片如圖1所示，第一次爆口管位置在彎頭外弧側，爆口無明顯脹粗，壁厚無減薄，邊緣較厚，脆斷特征較明顯。爆口附近管內外壁均有一層較厚且縱向平行開裂的黑褐色氧化皮。第二次爆口管爆口位置為T23+T91焊接接頭之上T23管段，泄漏段（T23側）脹粗明顯，爆口張開較大，爆口長100㎜，寬160㎜，破裂尖端處呈薄刃狀，爆口呈平板狀，韌斷特征明顯。

圖1 末級再熱器爆管宏觀照片

2.2 金相檢驗

取兩次爆口管的爆口邊緣和爆口下段進行金相檢驗，檢驗結果見圖2。

第一次爆口管尖端（T23） 第一次爆口管次裂紋處（T23）

第一次爆口管次裂紋處（T23） 第二次爆口管尖端（T23）

第二次爆口管尖端（T23） 第二次爆口管向火側氧化皮（T23）

第二次爆口管背火側（T23） 第二次爆口管向火側（T91）

第二次爆口管向火側內層（T91） 第二次爆口管向火側外層（T91）

圖2 爆口管金相照片

第一次爆口管爆口處組織為鐵素體+碳化物，裂紋附近組織未發生明顯相變，但組織老化較嚴重，無原貝氏體形態特征，晶內彌散碳化物顆粒較少，晶界鏈狀碳化物析出較多。爆管附近向火面氧化皮最大達到1.8㎜。第二次爆口管爆口處T23管向火面組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，為異常組織特征，而背火面為鐵素體+碳化物。T91管外壁有混晶組織，組織為粗大的馬氏體+碳化物（晶粒度為5～6級）。內層為碎化的板條馬氏體+彌散的碳化物顆粒（晶粒度10～11級）。內外層晶粒級差較大，而原板條位向特征不典型，且晶內大量碳化物顆粒析出長大，晶界不清晰已發生粗化。

2.3 硬度檢驗

取兩次爆口管的爆口邊緣和爆口下段進行硬度檢驗，檢驗結果見表1。

表1 維氏硬度試驗結果

管排號 試樣編號

及位置 硬度（HV100） 均值（HV100）

第一次爆口管16-7（垂直段） 向火面 136.5 127.1 112.5 125.4

背火面 173.8 175.6 178.1 175.8

第一次爆口管16-7（下彎段） 向火面 138.3 145 143.7 142.3

背火面 175.8 174.5 175.8 175.4

第二次爆口管16-7 向火面 185.1 187 185.8 186.0

背火面 157.5 158.4 157.8 157.9

GB5310 07Cr2MoW2VNbB ≤HV 230

ASME SA213-2007 T23 ≤HV 230

DL/T438對T23的控制范圍 HB150～220

第二次爆口管16-7（T91） 向火面 348.0 347.0 343.0 346.0

背火面 183.2 181.0 181.7 182.0

GB5310 10Cr9Mo1VNbN ≤HB250

ASME A213-2007 T91 ≤HB250

DL/T438對T91硬度控制范圍 HB180～250

第一次爆管垂直段靠爆口位置的向火面硬度均值為HV100125.4，最低值達到HV100112.5，背火面硬度均值為HV100175.8；下彎管段向火面硬度為HV100142.3。第一次爆管的16-7向火面硬度顯著低于DL/T438 HB150～220的要求。第二次爆管爆口管T23側向火面硬度為HV100186，背火面硬度為HV100157.9，向火面硬度較高。T91側向火面硬度為HV100346，背火面硬度為HV100182（HB173）。該管段T91鋼的硬度出現異常，向火面、背火面硬度差異非常大，且向火面硬度明顯高于DL438對T91鋼上限（HB250）要求，背火面硬度低于DL438對T91鋼下限（HB180）要求。

2.4 機械性能檢驗

取第一次爆口管遠離爆口處和第二次爆口管的相鄰管（T23）進行拉伸性能，檢驗結果見表2。

表2 室溫拉伸試驗結果

管排號

（MPa）

（MPa） （%）

屈強比 備注

第一次爆口管16-7 500 390 20.5 0.78 背火面試樣

475 350 23.0 0.74 向火面試樣

第二次爆口管16-8 495 395 19.5 0.80 向火面試樣

510 395 22.5 0.77

對比管：某電廠T23原始管室溫強度 575 470 23.0endprint

600 490 23.5

GB5310 07Cr2MoW2VNbB ≥510 ≥400 縱≥22

ASME SA213-2007 T23 ≥510 ≥400 ≥20

第一次爆管彎頭上段向火面、背火面的室溫拉伸性能已不滿足GB5310以及ASME SA213對T23相應牌號鋼的強度要求，尤其是向火面管樣的抗拉強度已低于標準35MPa，屈服強度低于標準50MPa。第二次爆管相鄰管向火面的室溫拉伸性能（強度、塑性）不滿足標準要求。抗拉強度低于標準15MPa，屈服強度低于標準要求5MPa。第二次爆管向火面的屈強比略高于第一次爆管向火面的值。

3 分析與討論

3.1 第一次爆口管

第一次爆口管爆口位于彎頭的外弧側，無明顯脹粗，壁厚無減薄，脆性特征較明顯。爆口管內外壁氧化皮較厚，向火面外壁出現0.25㎜長的氧化裂紋，爆管附近向火面內壁氧化皮最大達到1.8㎜。有效剩余金屬壁厚僅為2.3㎜。爆口管處組織未發生明顯相變，但組織老化較嚴重，無原貝氏體形態特征，晶內彌散碳化物顆粒較少，晶界鏈狀碳化物析出較多較大。爆口管處向火側的硬度為HV100125.4，低于DL/T438 HB150～220的要求。爆管彎頭上段向火面、背火面的室溫拉伸性能已不滿足GB5310以及ASME SA213對T23相應牌號鋼的強度要求。圖3所示：

圖3 第一次爆管彎管金相環宏觀照片

第一次再熱器爆管附近管段的當量溫度為631～613℃。結合EPRI的相關文獻以及相關鍋爐廠家（B&W、ALSTON等）推薦，T23用于受熱面管：過熱器、再熱器或水冷壁的最高使用金屬壁溫≤580℃，結果表明該材質運行過程中存在長時超溫。當量溫度結果表明，取樣T23管在運行過程中，存在長時過熱現象。管壁在超溫（大于580℃）運行過程中，易促成內、外壁氧化皮的生長加速，氧化皮生成過程中消耗了基體金屬，管段的有效壁厚顯著降低，使得管子環向應力逐漸增加，最終超過材質高溫下的許用應力發生爆管。另外較厚的氧化皮惡化了管壁的傳熱性能，從而也加速該部位的爆管。

3.2 第二次爆口管

第二次爆口管泄漏段脹粗明顯，爆口張開較大，爆口長100㎜，寬160㎜，破裂尖端處呈薄刃狀，爆口呈平板狀，韌斷特征明顯。爆口管（T23材質）爆管尖端為明顯的相變組織。爆口處向火面組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，為異常組織特征，而背火面為鐵素體+碳化物。參考T23的CCT曲線，圖4所示：分析表明爆管部位運行過程超溫達到相變溫度點，爆管后材質隨爐溫的下降緩慢冷卻，組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，硬度值為HV100186，說明處爆口的溫度達到相變溫度以上。爆口管T91鋼同樣存在短時超溫達到相變點，內外層出現混晶特征，且向火面的硬度均值達到HV100346，出現異常較高值。均表明該部位材質嚴重過熱。通過分析，表明該管段存在局部堵塞，氣流不暢，使得發生堵塞的管段傳熱性能惡化，整根管段發生短時急劇超溫，管段強度性能大幅度降低，該溫度下，材質的強度不足以滿足內壓產生的應力，最終導致管段發生短時過熱爆管。

圖4 T23的CCT曲線

4 結語

（1）第一次爆管：T23管在運行過程中，存在長時過熱現象。管壁在超溫（大于580℃）運行過程中，易促成內、外壁氧化皮的生長加速，氧化皮生成過程中消耗了基體金屬，管段的有效壁厚顯著降低，使得管子環向應力逐漸增加，最終超過材質高溫下的許用應力發生爆管。另外較厚的氧化皮惡化了管壁的傳熱性能，從而也加速該部位的爆管。（2）第二次爆管：爆口管段存在局部堵塞，氣流不暢，使得發生堵塞的管段傳熱性能惡化，整根管段發生短時急劇超溫，管段強度性能大幅度降低，該溫度下，材質的強度不足以滿足內壓產生的應力，最終導致管段發生短時過熱爆管。

參考文獻：

[1] 楊華春，屠勇超.（超）臨界機組鍋爐鋼管選材與國產化可行性[G].超超臨界鍋爐用鋼及焊接技術論文集.

[2] 趙彥芬，張路.超超臨界機組用新型耐熱鋼的現狀及發展[J].世界金屬導報.

作者簡介：張傳清（1971—），男，高級工程師，主要從事發電廠生產技術管理及研究。E-mail：zhangcq831@126.com。劉天佐（1963—），男，高級工程師，主要從事發電廠金屬監督、防磨防爆管理及研究。endprint