1 000 MW超超臨界鍋爐屏式過熱器爆管原因分析

周公文*

（泰安市特種設(shè)備檢驗研究院）

0 引言

2020 年，某1 000 MW 燃煤超超臨界鍋爐停機(jī)檢驗時發(fā)現(xiàn)鍋爐屏式過熱器受熱面管彎頭部位發(fā)生爆管現(xiàn)象。該鍋爐屏式過熱器受熱面管材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為 42 mm×5 mm，管道屬高壓鍋爐用無縫鋼管執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》。12Cr1MoVG 材質(zhì)適用于壁溫不超過580 ℃的受熱面管，在580 ℃以下具有良好的組織穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性能，通過在鋼中加入少量金屬釩可有效降低鉻、鉬合金元素形成碳化物的速率，且釩形成的強(qiáng)碳化物可彌散分布在鐵素體基體上，起到良好彌散強(qiáng)化作用[1]。12Cr1MoVG 供貨態(tài)應(yīng)是正火+回火，金相組織應(yīng)為鐵素體+珠光體（或貝氏體），具有良好的高溫持久塑性。本文對該屏式過熱器管彎頭部位進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、金相組織檢驗和硬度檢驗，找出該屏式過熱器管彎頭發(fā)生爆管泄漏的主要原因，并給出了相應(yīng)的建議。

1 實驗過程和實驗儀器

對該屏式過熱器管彎頭進(jìn)行宏觀檢查，根據(jù)宏觀爆口特征初步判斷爆管的主要原因。利用X 射線熒光光譜儀對該水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)核，確認(rèn)合金元素是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求或者是否存在材質(zhì)錯用問題。在爆口位置及附近母材進(jìn)行線切割取樣，試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光后，采用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，利用PTI-5000 型金相顯微鏡觀測斷口及母材的顯微組織形態(tài)，確定組織老化情況。利用HBE-3000A 型臺式布氏硬度計，在187.5 kg 載荷作用下，加載時間為10 s，在金相試樣表面進(jìn)行硬度試驗，檢驗斷口及母材處的硬度情況。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 宏觀檢查

圖1 為該屏式過熱器爆口處的宏觀形貌。爆口位于管道彎頭背弧面中心位置處，沿縱向開裂，開口狹長，邊緣呈鈍邊形態(tài)，爆口由背弧面沿縱向向兩側(cè)擴(kuò)展。爆口附近管道外徑略有脹粗，爆口處外壁氧化皮基本完全脫落，附近直段管外壁附著較厚的氧化皮。該屏式過熱器管爆口宏觀特征呈長期超溫爆管特征。

圖1 屏式過熱器管彎頭處爆口宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

利用便攜式X 射線熒光光譜儀對該屏式過熱器管進(jìn)行化學(xué)成分檢測，確認(rèn)屏式過熱器管的合金元素是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，以及是否存在材質(zhì)錯用現(xiàn)象。

表1 為該屏式過熱器管的化學(xué)成分，檢驗結(jié)果表明，該屏式過熱器管合金元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，元素含量未見異常。

表1 屏式過熱器管化學(xué)成分（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）

2.3 金相檢驗

對該屏式過熱器管爆口處及附近母材部位進(jìn)行線切割取樣，試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨、物理拋光后，采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行化學(xué)浸蝕，圖2 為該屏式過熱器管的顯微組織形貌。

圖2 為屏式過熱器背弧面爆口處及直段處的金相組織形態(tài)。爆口邊緣管道內(nèi)壁氧化皮基本完全脫落，爆口處壁厚減薄嚴(yán)重，最小壁厚僅為0.8 mm 左右，爆口處金相組織為鐵素體+碳化物，原有的珠光體（或貝氏體）形態(tài)完全消失，珠光體（或貝氏體）高溫下分解成的大尺寸球狀碳化物全部聚集在鐵素體晶界位置上并呈鏈狀分布，珠光體（貝氏體）嚴(yán)重球化，為5 級。屏式過熱器管直段位置處內(nèi)壁有厚約0.35 mm 的氧化皮，外壁有厚約0.32 mm 的氧化皮，氧化皮由內(nèi)向外的組成是FeO、Fe3O4和Fe2O3，而Fe3O4和Fe2O3因晶體結(jié)構(gòu)不同，處于400 ℃以上時二者熱膨脹系數(shù)值存在較大差異，易在二者界面處形成空隙而造成外層Fe2O3脫落[2-4]。該屏式過熱器管的晶粒細(xì)小，晶粒度為7 級左右，基體金相組織為鐵素體+碳化物顆粒，原有的珠光體（或貝氏體）形態(tài)完全消失，顆粒狀碳化物大部分聚集在鐵素體晶界位置，少量分布在基體中，珠光體（或貝氏體）球化程度為4.5級左右。

圖2 屏式過熱器管的金相組織形貌

2.4 硬度檢驗

利用HBE-3000A 布氏硬度計，在金相試樣上進(jìn)行布氏硬度檢驗，結(jié)果如表2 所示。屏式過熱器管彎頭背弧面爆口處硬度已低于標(biāo)準(zhǔn)要求，直段處硬度已接近硬度下限，但直段硬度值仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 布氏硬度試驗結(jié)果

2.5 試驗結(jié)果分析與討論

屏式過熱器管直段內(nèi)外壁存在厚約0.35 mm 的氧化皮，組織老化達(dá)4.5 級，硬度值已接近標(biāo)準(zhǔn)要求下限，彎頭背弧面內(nèi)外壁表面氧化皮基本完全脫落，組織老化達(dá)5 級，硬度值已低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限，這是由于管道長期超溫運行導(dǎo)致材料老化嚴(yán)重，管徑漲粗及氧化皮大量生成導(dǎo)致有效管壁減薄嚴(yán)重，管道因顯微組織老化嚴(yán)重導(dǎo)致強(qiáng)度嚴(yán)重下降，從而不能滿足內(nèi)部承載高壓過熱蒸汽介質(zhì)的壓力要求，從而在彎頭背弧面拉應(yīng)力最大部位發(fā)生縱向開裂。

該屏式過熱器管彎頭發(fā)生開裂的原因是存在長期超溫運行現(xiàn)象，管子組織老化嚴(yán)重，內(nèi)壁氧化皮大量生成并脫落，并在管道彎頭部位聚集，引發(fā)堵塞減小蒸汽流通面積，蒸氣流通面積的減少促進(jìn)管道彎頭部位的超溫，進(jìn)而加速組織老化及氧化皮生成速率，氧化皮的生成及脫落加速有效管壁的減薄速率，并加快管子顯微組織的老化速率，有效管壁的減薄及組織的嚴(yán)重老化降低管道的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致管道彎頭部位發(fā)生爆管開裂。

3 結(jié)語

屏式過熱器管介質(zhì)為高溫高壓過熱蒸汽，當(dāng)管道發(fā)生堵塞時極易在堵塞部位及后部管段產(chǎn)生超溫現(xiàn)象，致使管道組織老化加速及內(nèi)外壁氧化皮的大量生成及脫落，內(nèi)壁氧化皮脫落會加劇堵塞程度，從而導(dǎo)致管道在短時內(nèi)發(fā)生爆管失效。

建議繼續(xù)在遠(yuǎn)離爆口位置割管進(jìn)行實驗室理化檢驗，確定管道材質(zhì)的劣化范圍，必要時更換該處受熱面管道。建議加大受熱面管超溫監(jiān)控力度，對發(fā)生超溫爆管區(qū)域的管屏加大檢查力度，查找其他管道是否存在相似的超溫運行狀況。管道內(nèi)部或集箱內(nèi)管道進(jìn)口端存在異物堵塞極易導(dǎo)致蒸汽通流面積減小，造成管內(nèi)水汽流量分布不均，鍋爐火焰中心的偏移等狀況均會引起受熱面管道局部超溫，建議使用單位排查屏式過熱器管的超溫原因，在檢修期開展管道內(nèi)部、集箱內(nèi)部的檢查工作。蒸汽阻滯也會導(dǎo)致受熱面管道的短時過熱或長時過熱，鍋爐運行時應(yīng)加強(qiáng)減溫水流量監(jiān)控，避免減溫水流量波動大造成受熱面管水塞，引發(fā)管壁超溫[5]。鑒于該屏式過熱器管經(jīng)歷過長期超溫運行，為掌控其他屏式過熱器受熱面管道的老化趨勢，建議開展受熱面管屏的壽命評估工作。