某超超臨界鍋爐一級過熱器T91鋼吊掛管泄漏原因分析

田 曉1, 秦承鵬1, 徐 慧, 商雪威

(1. 西安熱工研究院有限公司, 西安 710054; 2. 西安益通熱工技術服務有限責任公司, 西安 710032)

某電廠6號鍋爐為二次再熱超超臨界鍋爐(1 000 MW，620 ℃)，鍋爐出口蒸汽壓力為32.9 MPa，主出口蒸汽溫度為605 ℃，再熱蒸汽出口溫度為623 ℃。該鍋爐于2015年12月投運，在運行1 400 h后其一級過熱器吊掛管發生泄漏。該吊掛管泄漏管段材料為T91鋼，規格為φ44.5 mm×10 mm，其下方相鄰管段材料為Super304H鋼。吊掛管上方為一級過熱器入口集箱，下方連接一級過熱器管屏，吊掛管的正常工作溫度為500 ℃，工作壓力為33 MPa。為查明吊掛管發生泄漏的原因，筆者對其進行了理化檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

吊掛管泄漏管段在鍋爐內的位置如圖1所示，由于受蒸汽沖擊，泄漏管段與相鄰的吊掛管均發生變形。圖2是吊掛管泄漏管段的宏觀形貌，將爆口所在管段、爆口上方距離爆口750，1 200 mm處所在管段分別編為1，2，3號管段。爆口的宏觀形貌如圖3所示，可見爆口位于泄漏管段的背火面，與其下部的Super304H鋼管段焊縫距離為50 mm，爆口呈喇叭形，沿管段縱向長度為50 mm，開口最大寬度為60 mm，爆口處管段發生明顯塑性變形，其邊緣減薄呈刀刃狀且管壁明顯減薄。綜上可知，爆口具有短時過熱開裂的特征[1]。距離爆口250 mm處的上方管段管徑有脹粗現象，而爆口下方Super304H鋼管段未見脹粗現象。

圖1 吊掛管泄漏管段在鍋爐內位置Fig.1 Position of leakage tube section of supporting tube in the boiler

圖2 吊掛管泄漏管段宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of leakage tube section of supporting tube

圖3 吊掛管爆口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of burst of supporting tube

1.2 化學成分分析

按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》和GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規方法)》，對吊掛管泄漏管段取樣，采用CX-9800型光電直讀光譜儀和HW-2000型高頻碳硫紅外分析儀對試樣的化學成分進行分析，結果見表1。可見吊掛管泄漏管段的化學成分符合ASEM SA-213(2017)SpecificationforSeamlessFerriticandAusteniticAlloySteelBoiler,SuperheaterandHeat-exchangerTubes對T91鋼的技術要求。

表1 吊掛管泄漏管段的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of leaking tube section of supporting tube (mass fraction) %

1.3 力學性能試驗

按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，在2，3號管段上截取拉伸試樣，采用MTS810型電液伺服萬能材料試驗機分別對試樣進行室溫拉伸試驗，結果見表2。可見2，3號管段的屈服強度和抗拉強度符合ASEM SA-213(2017)的技術要求，且屈服強度和抗拉強度較高。

按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，在2，3號管段上沿縱向截取尺寸為55 mm×7.5 mm×10 mm的沖擊試樣，采用PIT452D-2型金屬擺錘沖擊試驗機對試樣進行室溫沖擊試驗，結果見表3。可見2，3號管段的沖擊吸收能量符合GB 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對T91鋼的技術要求(標準要求值不小于30 J，而全尺寸沖擊試樣需以標準值30 J乘以遞減系數0.75得到22.5 J，即標準要求值應不小于22.5 J)。

表2 吊掛管不同管段的室溫拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results of different tube sections of supporting tube at room temperature

表3 吊掛管不同管段的室溫沖擊試驗結果Tab.3 Impact test results of different tube sections of supporting tube at room temperature J

1.4 硬度測試

1.4.1 布氏硬度

按照GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，在1號管段爆口近上下尖端、上下部、背面、下方Super304H鋼處，以及2號管段距爆口750 mm處、3號管段距爆口1 200 mm處(見圖4)截取試樣，采用310HBS-3000型數顯布氏硬度計分別對試樣進行布氏硬度測試，壓頭為φ2.5 mm硬質合金球，載荷為1 839 N，保壓時間為20 s，測試結果見表4。可見爆口近尖端的硬度明顯比其他位置的硬度要高，這是由于該位置發生塑性變形造成了形變硬化。除了爆口近上下尖端之外，爆口背面、爆口上部和下部的硬度均不符合DL/T 438-2009《火力發電廠金屬技術監督規程》中對T91鋼的技術要求(180～250 HBW)，距爆口750，1 200 mm的2，3號管段硬度符合DL/T 438-2009的技術要求，Super304H鋼處管段的硬度符合ASME SA-213(2017)標準的技術要求(不大于219 HBW)。

圖4 吊掛管1號管段布氏硬度測試位置Fig.4 Test positions of Brinell hardness of No.1 tube section of supporting tube

測試位置實測值平均值1號管段爆口近上尖端216,218,2202181號管段爆口近下尖端201,206,2032031號管段爆口背面167,166,1681671號管段爆口上部161,160,1581601號管段爆口下部164,167,1661662號管段距爆口750 mm191,192,1931922號管段距爆口1 200 mm197,197,1971971號管段Super304H鋼處180,182,183182

1.4.2 維氏硬度

按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，在1號管段爆口上尖端、下尖端、背面截取試樣，采用FM-800型顯微硬度計分別對試樣進行維氏硬度測試，載荷為1.961 N，保壓時間為12 s，測試結果見表5。可見爆口上下尖端處的硬度明顯比爆口背面的要高，除了爆口上尖端的維氏硬度比ASME SA-213(2017)標準對T91鋼的要求更高，爆口下尖端和爆口背面的維氏硬度均符合該標準的技術要求(不大于265 J)。

表5 吊掛管1號管段不同部位的維氏硬度測試結果Tab.5 Vickers hardness test results of different parts of No.1 tube section of supporting tube HV0.2

1.5 金相檢驗

在1號管段爆口上下尖端及其附近、爆口上下部、爆口背面、爆口下方Super304H鋼管段處，以及2號管段距爆口750 mm處、3號管段距爆口1 200 mm處分別截取金相試樣，經打磨、拋光后，用FeCl3鹽酸水溶液(5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mL H2O)浸蝕，無水乙醇清洗并吹干后，采用Olympus GX71型顯微鏡進行顯微組織觀察，由圖5可見，爆口及其周圍的顯微組織為鐵素體+粒狀碳化物[2]，爆口上下尖端處有細小碳化物大量析出彌散分布在基體上，爆口尖端附近的晶粒拉長，推測是爆口發生塑性變形所致，爆口及其周圍顯微組織具有明顯過熱特征[3-8]。爆口上方距爆口750，1 200 mm處的顯微組織均為回火馬氏體，組織未見異常。爆口下方Super304H鋼管段的顯微組織為奧氏體，晶粒度為8～9級，組織未見異常。

2 分析與討論

根據理化檢驗結果可知，該T91鋼吊掛管泄漏管段的化學成分、室溫拉伸性能、沖擊性能均符合相關標準的技術要求。

由宏觀檢查結果可知，爆口具有短時過熱開裂特征。由金相檢驗結果可知，爆口及其周圍的顯微組織為鐵素體+粒狀碳化物，馬氏體已完全消失，細小碳化物大量析出彌散分布在基體上，呈現典型的過熱組織特征，且爆口尖端附近的晶粒因發生嚴重塑性變形而被拉長。由硬度測試結果可知，距爆口750，1 200 mm處管段的硬度正常，而爆口附近管段的硬度較低，由此推斷爆口附近管段的拉伸強度也較低，在管內介質壓力作用下，低硬度區域管段因拉伸強度不足容易造成管徑脹粗、壁厚減薄，這與爆口附近管段有明顯脹粗現象一致。爆口尖端的硬度比爆口背面的要高，這是由于爆口尖端發生塑性變形硬化；爆口背面及爆口周圍材料硬度遠低于標準值，可知泄漏管段爆口處的顯微組織和力學性能發生了明顯劣化。

該爆口與Super304H鋼焊接接頭距離為50 mm，經檢查發現焊接接頭處通流面積明顯減小，焊接接頭處極易發生異物堵塞。在異物堵塞的情況下管內介質流動受阻且熱交換下降，會使得短時間內管段壁溫超過設計溫度，甚者達到或超過T91鋼的臨界溫度，導致管段耐壓強度大幅下降，最后在內壓作用下發生管徑脹粗和管壁減薄。而管壁的減薄使管壁應力進一步升高，加大了管壁發生塑性變形和管壁減薄的程度，當壁厚不足以抵抗內壓作用時管壁就會發生爆裂。同時，由于管壁溫度達到或超過臨界溫度，造成T91鋼進入兩相區出現鐵素體相，同時鋼中碳化物充分析出和長大，所以爆口處的顯微組織為鐵素體+碳化物，馬氏體完全消失。由于Super304H鋼最高許用溫度為700 ℃，所以短時過熱未對Super304H鋼管段造成影響。

3 結論及建議

該T91鋼吊掛管發生短時過熱，其耐壓強度急劇下降，在內部介質壓力作用下，管段發生脹粗和壁厚減薄，當壁厚不足以抵抗內壓作用時管段發生爆裂，導致該吊掛管的泄漏。

建議加強對鍋爐集箱的清潔度檢查，及時排除異物，防止吹管后異物在鍋爐吊掛管內局部堆積引起的管段短時超溫。