超臨界鍋爐T91鋼過熱器管爆管原因分析

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

為提高發電效率、降低成本、實現節能降耗，發展大容量、高參數的超臨界、超超臨界機組是我國火力發電機組的主要趨勢，這對電站關鍵部件的金屬材料性能提出了更高的要求。傳統低鉻和鉻鉬系列電站鍋爐用鋼的工作溫度和高溫強度較低，無法適應高參數機組部件承受高溫、高壓的需求。因此，必須開發新型耐高溫、高壓、腐蝕的鍋爐用鋼。T91鋼是在9Cr1Mo鋼的基礎上適當降低碳含量，并加入礬、鈮、氮等合金化元素進行微合金化處理，同時嚴格控制硫、磷元素含量而得到的新型馬氏體耐熱鋼。T91鋼具有優異的高溫持久強度和良好的高溫抗氧化及耐腐蝕性能，同時還具有良好的韌性及焊接性能，自引入我國之后，被用于壁溫不高于600 ℃的過熱器及再熱器管材[1-2]。

隨著大容量、高參數機組的投產運行，鍋爐四管(水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管)泄漏問題尤為突出，約占國內鍋爐事故的2/3[3-4]。為提高火電機組安全，實現經濟運行，對四管泄漏事故的分析及預防尤為重要。

某國產600 MW超臨界W型火焰鍋爐投產運行僅一個月，屏式過熱器管就發生了爆管泄漏。該過熱器管的材料為SA213-T91鋼，規格為φ38 mm×9 mm。爆口位于彎頭外弧面，彎曲角度約150°，泄漏位置如圖1所示。為查明過熱器管爆管泄漏的原因，筆者對其進行了檢驗和分析。

圖1 過熱器管泄漏位置示意圖Fig.1 Diagram of the leak position of superheater tube

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

對發生爆管的過熱器管進行宏觀形貌觀察，由圖2可見，爆口位于彎頭外弧面處，爆口呈鼓包狀，沿縱向開裂，長度約為30 mm，最寬處約為0.5 mm，爆口處管段脹粗部位最大直徑約為44.92 mm；爆口邊緣呈鈍邊，壁厚有所減薄，最薄處壁厚約為1.36 mm；爆口周圍外表面存在大量沿縱向開裂(平行于爆口)的氧化皮。將管件沿縱向剖開后，在爆口處的管內表面也發現有大量縱向平行分布的樹皮狀裂紋，且有龜裂、脫落現象，呈典型過熱特征，見圖2b)。爆口背側管樣內、外表面無宏觀裂紋，見圖2c)。距爆口約17 cm處的接頭環焊縫內部存在焊瘤，見圖2d)，焊瘤的存在導致過熱器管內部通路變窄，氣流通行受阻。

1.2 化學成分分析

對發生爆管的過熱器管取樣進行化學成分分析。由表1可知，其鉻含量略高于ASME A213/A213M-18StandardSpecificationforSeamlessFerriticandAusteniticAlloy-steelBoiler,Superheateater,andHeat-exchangerTubes和GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對SA213-T91鋼的要求，其他各元素含量均在標準要求的范圍內。

圖2 發生爆管的過熱器管宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the burst superheater tube: a) whole; b) inner wall of burst mouth; c) inner wall of back side of burst mouth; d) inner wall of joint

表1 過熱器管的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of superheater tube (mass fraction)

1.3 硬度測試

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》,采用HBE-3000A型電子布氏硬度計對過熱器管的不同位置取樣進行硬度測試，每個位置測試3次，取平均值。由表2可知過熱器管在爆口處及爆口附近的布氏硬度均低于ASME SA213-2018中對T91鋼布氏硬度要求范圍的下限值(190 HBW)，其中爆口處的硬度最低，僅為158.3 HBW。

表2 過熱器管硬度測試結果Tab.2 Hardness test results of superheater tube HBW

1.4 金相檢驗

將硬度測試的試樣經過打磨、拋光、浸蝕后，利用Leica DM 2500M型光學顯微鏡進行微觀形貌觀察，結果如圖3和圖4所示。T91鋼的正常組織應為細小的回火板條馬氏體，由于馬氏體發生相變，馬氏體晶粒內會形成大量的亞晶，使位錯密度增大，晶粒高度細化，晶界上彌散分布著M23C6型和MC型合金碳化物。而由圖3可見，該管爆口處顯微組織為鐵素體+碳化物顆粒，馬氏體位向難以辨認，組織完全老化；由圖4可見，距爆口約10 cm處的顯微組織中板條馬氏體位向明顯分散，局部出現等軸狀晶粒，組織亦老化明顯。

圖3 過熱器管爆口處顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of burst mouth of superheater tube

圖4 距爆口約10 cm處的過熱器管顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of superheater tube about 10 cm away from burst mouth

1.5 掃描電鏡及能譜分析

使用Tescan VEGA 3 LMU型掃描電子顯微鏡(SEM)對過熱器管的爆口處進行觀察。由圖5可知，過熱器管組織老化主要表現為：馬氏體板條的浮凸形貌基本消失，轉化為呈多邊體狀的等軸鐵素體；碳化物含量增高，且在鐵素體晶內和晶界上偏聚長大呈珠狀分布。此外，部分區域還可觀察到蠕變裂紋，裂紋多萌生于晶粒交界和粗大析出相形成處。

圖5 過熱器管爆口處SEM形貌Fig.5 SEM morphology of burst mouth of superheater tube:a) at low magnification; b) at high magnification

利用Oxford X-act型能譜儀對過熱器管爆口處的析出相進行定性分析。析出相形貌及分析位置見圖6。結果顯示其主要合金元素為鉻、鉬，結合T91鋼中析出相的形成特點可知，該析出相為M23C6型碳化物。

圖6 過熱器管析出相的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of precipitate phase of superheater tube

過熱器管爆口處及爆口背側內外表面均存在氧化層，以爆口處內壁氧化皮為例進行SEM觀察分析。由圖7可見，氧化皮分為內、外兩層，外層氧化皮較為疏松，靠近基體的內層氧化皮更加致密。富鉻的內氧化層為保護性氧化膜，使基體材料具有較好的抗高溫氧化能力，而外氧化層的抗氧化能力較差[5]。當過熱器管在高溫下服役生成的氧化皮達到一定厚度，溫度波動或應力變化就會使其發生脫落。

圖7 過熱器管爆口處內壁氧化皮的SEM形貌Fig.7 SEM Morphology of oxide on inner wall of burst mouth of superheater tube

2 分析與討論

過熱器管爆口宏觀形貌具有典型的長時過熱開裂特征，環焊縫內壁存在的焊瘤致使該管段氣流通行受阻，蒸汽流量減少導致管內蒸汽溫度升高，易引起超溫運行。

T91鋼中的碳是起固溶強化作用最明顯的元素；鉻主要用于提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕能力；鉬的再結晶溫度很高，是影響高鉻耐熱鋼高溫蠕變斷裂強度的重要合金元素；釩的加入能與碳形成細小而穩定的合金碳化物。T91鋼較低的碳含量可以保證鋼的塑形、工藝性能以及碳化物的穩定性，細小彌散分布的M23C6型碳化物和MX相是其熱強性能高的主要原因。但鉻、鉬元素高溫時易從基體向碳化物中轉移，引起M23C6型碳化物顆粒的粗化，不利于碳化物的熱穩定性。添加礬、鈮、氮元素可以使鋼中析出細小彌散的MX相，其與碳固溶的同時會阻止鉻、鉬從基體向碳化物中轉移，提高鋼的高溫持久強度。因此，過高的溫度和鉻含量不利于M23C6型碳化物的熱穩定性。

由硬度測試結果可知，爆口位置及其附近的硬度低于標準要求的最小值。王學等[6]的研究成果表明，T91鋼硬度的顯著下降是由于M23C6型碳化物的快速粗化導致位錯密度迅速降低，因此可用硬度來判斷T91鋼組織的老化程度。T91鋼的正常組織應為細小的回火板條馬氏體，正火+回火熱處理實現了板條馬氏體強化、界面強化、位錯強化、顆粒強化與固溶強化的復合強化效應[7]。而該過熱器管爆口處組織老化，馬氏體位向的分散破壞了T91鋼的強度。

金屬材料的性能是由合金的成分及微觀組織結構決定的，在長時間高溫和應力作用下，顯微組織的老化和蠕變損傷引起了管材強度的下降，同時使得材料硬度降低，這與硬度測試結果一致。對于該過熱器，其組織中馬氏體板條的消失說明板條內高密度位錯數量減少；合金元素由固溶體向碳化物轉移，材料固溶強化效果下降；組織老化后聚集在晶界的大顆粒碳化物使得晶界強化效果下降。碳化物相成分的變化表明合金中的鉻、鉬元素隨時間的延續從基體轉移至碳化物中，并使碳化物逐漸長大、粗化，削弱了鉻、鉬元素的固溶強化作用，而聚集在晶界的粗大碳化物則導致材料界面強化效果下降。

氧化皮分析結果表明，該過熱器管在運行期間存在內、外壁氧化的現象，尤其是內壁形成的蒸汽氧化層阻隔了蒸汽介質與管壁金屬的熱量交換，導致管的熱傳導性能惡化，使得該管段實際使用溫度隨運行時間的增加不斷升高。過熱器管內外壁的氧化現象導致壁厚隨運行時間逐漸減薄，這意味著管壁承受的應力將不斷升高[8]。溫度和應力狀態的變化使得管材老化和蠕變損傷加劇，從而導致材料強度降低。

3 結論

(1) 該鍋爐屏式過熱器管發生爆管泄漏主要是由于管的環焊縫內部存在焊瘤，蒸汽流通不暢，造成管材超溫運行。此外，過熱器管內壁氧化皮熱阻較大，影響蒸汽介質與管壁金屬的熱量交換，加劇了超溫現象。

(2) 超溫運行導致過熱器管顯微組織老化，組織中板條馬氏體分解，M23C6型碳化物在鐵素體晶內和晶界上偏聚長大，管材的強度，管壁承壓能力下降，最終導致過熱爆管。