某超超臨界機組鍋爐末級過熱器鋼管泄漏原因分析

龔 巍 劉新星

(1. 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 材料研究所，哈爾濱 150046； 2. 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室, 哈爾濱 150046)

某電廠超超臨界清潔高效燃煤發電機組(鍋爐型號為HG-3118/29.3-YM6)在運行112 h后，其鍋爐末級過熱器的鋼管發生泄漏。該鋼管材料為SA-213S30432不銹鋼，規格為φ44.5 mm×11 mm，設計溫度為640 ℃，蒸汽壓力為31.4 MPa。該末級過熱器的進出口溫度分別為552 ℃和630 ℃，進出口壓力分別為31.4 MPa和30.7 MPa。為查明泄漏發生的原因，筆者對失效鋼管進行了理化檢驗和分析[1-2]。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

圖1 末級過熱器泄漏鋼管位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of leakage steel pipe position of end superheater

圖2 泄漏鋼管的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of leaking steel pipe

現場檢查發現末級過熱器管左數第2屏后數第9根鋼管發生泄漏，失效鋼管的位置如圖1所示，宏觀形貌和圖2所示。由圖2可見，失效鋼管的爆口呈魚嘴狀，爆口長度為140 mm，寬度為20 mm，其邊緣較粗糙且厚度最薄處為9.68 mm。爆口附近鋼管外表面有平行于管軸的蠕變裂紋，具有不銹鋼管過熱爆管的宏觀形貌特征[3-5]。失效管段發生了扭曲變形，除了爆口部位，其他管段內外壁表面光滑，未見軋制、折疊、重皮、裂紋、結疤和離層等缺陷。對失效管段遠離爆口且未扭曲變形處(圖2中A位置)與爆口處(圖2中B位置)的外徑進行測量并計算其脹粗率，結果如表1所示，可見爆口處管段的外徑及脹粗率較大，遠離爆口的管段的外徑及脹粗率較小。

表1 失效鋼管不同部位脹粗率的計算結果Tab.1 Calculation results of expansion rate of different parts of failed steel pipe

1.2 化學成分分析

從失效鋼管(圖2中的3號位置)上取樣，用OBLF QSN-750型直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表2所示。可見失效鋼管的化學成分符合ASME SA-213/SA-213M《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》對SA-213S30432不銹鋼成分的技術要求。

1.3 拉伸試驗

按照ASTM E8/E8M-16aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials，從失效鋼管(圖2中的1號位置)截取縱向圓棒狀拉伸試樣，采用CSS-2795型電子拉伸試驗機對試樣進行室溫拉伸試驗，結果如表3所示。可見試樣的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿足ASME SA-213/SA-213M對SA-213S30432不銹鋼的技術要求。

表2 失效鋼管的化學成分(質量分數)Tab.2 Chemical compositions of failed steel pipe (mass fraction) %

表3 失效鋼管的拉伸試驗結果Tab.3 Tensile test results of failed steel pipe

1.4 硬度測試

按照ASTM E10-18StandardTestMethodforBrinellHardnessofMetallicMaterials，從失效鋼管(圖2中2號位置)上取樣，采用HB-3000C型布氏硬度儀對試樣進行布氏硬度測試。得到失效鋼管的硬度為167 HBW，在DL/T 438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》要求的150～219 HBW范圍內。

1.5 金相檢驗

從失效鋼管的爆口處(圖2中3號位置)和遠離爆口處(圖2中4號位置)分別截取金相試樣，試樣經打磨、拋光處理后，用鹽酸苦味酸酒精溶液(5 mL鹽酸+1 g苦味酸+100 mL酒精)浸蝕，使用Zeiss Axiovert 200 MAT型光學顯微鏡進行觀察。由圖3可見，失效鋼管的爆口處與遠離爆口處的顯微組織均為奧氏體+大量沿晶界和晶內析出的碳化物[6]，晶界模糊且未見孿晶組織。爆口處顯微組織中有蠕變微裂紋。

圖3 失效鋼管爆口處與遠離爆口處的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology a) at the burst and b) far away from the burst of failed steel pipe

2 分析與討論

由宏觀檢查結果可知，失效鋼管爆口處符合不銹鋼管過熱爆管的宏觀形貌特征。由金相檢驗結果可知，失效鋼管爆口處與遠離爆口處的顯微組織為奧氏體+大量沿晶界和晶內析出的碳化物，爆口處顯微組織中有微觀蠕變裂紋，符合不銹鋼管過熱爆管的微觀形貌特征[7]。綜上，可判斷該末級過熱器鋼管在運行期間出現過熱導致其顯微組織中晶界與晶內析出大量碳化物，使鋼管的力學性能劣化，進而導致鋼管承壓能力下降，在內壓應力作用下，鋼管的蠕變速率加快并萌生出蠕變裂紋，最終導致該末級過熱器鋼管發生泄漏。

該超超臨界清潔高效燃煤發電機組為新建機組，運行時間僅為112 h。末級過熱器在試運行期間較短時間內發生過熱爆管的原因一般為：鋼管局部被異物阻塞；末級過熱器入口集箱處節流孔圈阻塞；鋼管局部熱負荷偏高等。為查明失效鋼管出現過熱爆管的原因，現場調取該末級過熱器出口溫度的變化曲線，發現與失效管段同屏相鄰位置的管段以及相鄰管屏同位置的管段出口溫度未超過640 ℃(沒有超溫現象)，而失效管段出口溫度持續上升到約660 ℃并在該溫度下保持了6.5 h(出現超溫現象)，比其同屏相鄰位置管段以及相鄰管屏同位置管段的出口溫度高出60 ℃,由于局部熱負荷偏高的情況不會只出現在一根管段，由此可排除鋼管局部熱負荷偏高的因素。

對該末級過熱器管屏、末級過熱器入口集箱以及出口集箱的鋼管內部進行清潔度檢查后，發現在末級過熱器第35，37屏的鋼管內有電廠基建安裝時的遺留物，而在其他管屏的鋼管、末級過熱器入口集箱和出口集箱內均未發現異物。由此推測該末級過熱器發生過熱爆管是因為鋼管被異物阻塞，導致其工質流量減小，管壁溫度升高，使鋼管處于超溫狀態而發生過熱爆管。由于爆管時高速氣流產生的瞬間沖擊力很大，極有可能將異物從爆口處吹出，因而在失效鋼管內未發現阻塞物[7]。

3 結論及建議

超超臨界清潔高效燃煤發電機組在運行期間，其鍋爐末級過熱器鋼管因被異物堵塞而處于超溫運行狀態，使鋼管的力學性能劣化、承壓能力下降，鋼管的蠕變速率加快，其表面萌生出蠕變裂紋，最終導致鋼管發生泄漏。

建議在電廠基建階段加強包括末級過熱器集箱在內鍋爐的清潔度檢查，防止異物阻塞導致鍋爐鋼管過熱。同時，電廠應對發生泄漏的末級過熱器管屏的其他部位進行排查，檢查其他鋼管是否經歷過熱運行而在其外壁產生了蠕變裂紋，以消除影響鍋爐安全運行的隱患。