某大容量高參數機組鍋爐末級過熱器管失效分析

羅江勇，陳良峰，薛 智，吳金勇

(1.珠海金灣發電有限公司，廣東 珠海 519005；2.珠海鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519005)

作為目前電力能源的主要獲取方式，火力發電一直占據著絕對優勢。隨著近年來國內外火力發電技術的不斷發展和國家對環保要求的不斷提高，對火力發電機組的效率要求也相應不斷提高，越來越多的大容量機組隨之投入運行。據不完全統計，目前我國在役的600 MW超臨界機組已超過600臺[1-2]，且有相當數量的機組處于建設階段，因此如何保證數量龐大的大容量機組安全穩定運行是一個值得深入研究的課題。在600 MW及以上的大容量機組中，因鍋爐受熱面爆漏而造成停機事故的占到40%以上[3-4]，這當中又因運行工況惡劣的末級過熱器、高溫再熱器爆漏問題占絕大多數[5-6]。某電廠鍋爐為600 MW超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，為單爐膛，一次中間再熱，四角切圓燃燒，全鋼架懸吊結構。機組于2007年投運，2020年7月，鍋爐末級過熱器管發生爆管泄漏，原始爆口位于鍋爐左數第25屏管前數第12根(編號25-12)氣流出口方向，本文對爆管進行失效分析，旨找出爆管原因，對后續類似事件的預防提供一定參考。

1 試驗儀器與方法

采用OPTIMA2100DV型全譜只讀等離子發射光譜儀對爆管段進行化學成分分析，HVS-50Z自動轉塔數顯維氏硬度計進行硬度檢測，100 kN AG-IC 島津電子萬能材料試驗機進行力學性能測試及金相分析，EBSD掃描電子顯微鏡及能譜一體化系統進行掃描電鏡觀察及能譜分析。

2 試驗結果分析

2.1 宏觀檢查

爆管材料為TP347HFG，規格為Φ38×7 mm，對爆管管段進行宏觀檢查，如圖1(a)所示，爆口位于末級過熱器彎頭出口段，軸向開裂長約35 mm，寬約3～4 mm，爆口處管壁減薄不明顯，且爆口無明顯的塑性變形，斷面粗糙，呈現出長時過熱的特征。爆口附近外壁還有輕微的吹損特征。將爆管縱向剖開，查看內壁氧化皮的脫落情況，如圖1(b)所示，由圖1可知，管段內壁氧化皮有明顯脫落痕跡。

(a)爆口形貌

2.2 化學成分分析

表1為爆管段的化學成分分析結果，表中同時列出了ASME SA-213對TP347HFG化學成分要求。結果可見，爆管段的化學成分符合標準規定。

表1 化學成分分析結果 單位：wt%

2.3 力學性能測試

表2為爆管段在不同溫度下的拉伸性能試驗結果，表中同時列出了相關標準在對應溫度下的拉伸性能要求。由表2可知，爆管段的室溫拉伸性能及高溫屈服強度均滿足相關標準要求。

表2 拉伸性能測試結果

表3為金相試樣表面硬度測試結果，表中同時列出了ASME SA-213標準對TP347HFG鋼管的硬度要求。結果可見，爆管段的硬度值符合ASME SA-213標準規定。

表3 硬度測試結果 HV10

2.4 金相檢驗

圖2為正常管段和爆管段的母材橫截面中心金相組織照片和氧化皮厚度，由圖2可知，管段顯微組織均為奧氏體+孿晶+碳化物(或析出物)，平均晶粒度約8級，部分晶界析出物在試樣侵蝕過程中發生脫落，基體中可見少量的形變滑移線。其中正常管段的內壁氧化皮平均厚度為67 μm，爆管段的氧化皮平均厚度為120 μm，爆口段的的氧化皮厚度顯著大于該管段氣流進口段。

(a)正常管段金相組織

圖3為斷口顯微組織形貌，由圖3可知，斷口附近顯微組織中存在明顯的老化特征，大顆粒析出物沿晶界分布，部分析出物呈鏈狀；斷口呈脆性的沿晶斷裂特征，斷口附近組織中還存在大量的沿晶蠕變裂紋，尤其在靠近外壁側裂紋相對較多；管段內壁也出現較多沿氧化皮開裂的微小裂紋，裂紋向金屬基體擴展，但擴展深度尚較淺。

圖3 斷口顯微組織形貌

2.5 析出相能譜分析

將斷口采用三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕后，置于掃描電鏡下觀察，如圖4所示，晶界析出物大部分已脫落，但仍能看到部分未脫落的沿晶界分布的塊狀析出物，及部分薄片狀(或條狀)析出物。

(a)放大倍數3000×

對圖4中的晶界析出物進行能譜分析，其結果如圖5所示，分布在晶界的大塊狀析出物大部分均為富Fe、Cr的化合物，根據其質量分數可以推斷其主要為σ相；此外，晶界大塊狀析出物中還存在少量富Nb的析出相，該析出相主要在管段原始制造過程中形成。結合晶界析出相能譜分析，結果表明,晶界析出相主要為Cr23C6，塊狀的σ相，以及少量的Nb的碳化物。σ相是一種硬而脆四方結構的Fe-Cr金屬間化合物，σ相形成非常緩慢，一般在550～800 ℃，并且在應力狀態下長期使用才會出現，且溫度越高σ相析出所需時間越短，相同時間內的析出量越大。σ相的析出，會導致不銹鋼硬度升高，沖擊性能下降，使材料嚴重脆化，承受應力的能力降低；σ相在晶界聚集，會導致微裂紋和蠕變孔洞的產生，嚴重降低奧氏體鋼的塑性、韌性、持久強度和蠕變壽命。

圖5 能譜分析結果

3 結論

綜上分析，該管爆口處管壁減薄不明顯，且爆口無明顯的塑性變形，斷面較為粗糙，管段內壁氧化皮均有明顯脫落；管段金相組織為奧氏體+孿晶，基體中均存在較多的析出相，爆口段的的氧化皮厚度顯著大于該管段氣流進口段，爆管管段材質為TP347HFG，設計運行溫度550～590 ℃，運行時間>2×105h，爆管段的氧化皮厚度達120 μm，可見爆口管段存在運行溫度過高的情況；本次爆管性質為長時過熱爆管，其主要原因為管段長時超溫運行后，脆性的σ相等析出物導致管段脆化所致。建議通過內窺鏡、割管等手段查找管子內部及聯箱入口是否存在有局部異物堵塞情況，在該管壁上方調整溫度測點位置或增加溫度測點數量，提高對管段局部超溫的監測，并嚴格控制鍋爐運行溫度，避免超溫運行。