某電廠鍋爐后屏過熱器管泄漏原因分析

康龍基 王 碩 季文波 劉光奎 郝維勛

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 哈爾濱 150046)

（2.中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

電站鍋爐的“四管”泄漏，是導致電廠機組非正常停機的常見形式之一，一般能夠達到50%以上比例甚至更高，對機組運行的安全性和經濟性均會造成嚴重影響[1]。過熱器管內的工質為具有一定過熱度的合格蒸汽，在鍋爐調峰運行時，過熱器能夠控制蒸汽在允許的溫度范圍內波動[2]。S30432 是由日本住友公司研發的一種18-8 型奧氏體耐熱不銹鋼，該鋼種具有許用應力高、經濟性好、抗高溫蒸汽氧化能力強、高溫持久強度高等優點，在鍋爐高溫受熱面上取得了大量應用[3]。該鋼種起初全部依賴進口，我國從2003 年開始，組織對S30432 進行國產化研究，經過多方努力，于2008 年成功取得了該鋼種的國產化應用，我國標準中該鋼種的牌號為10Cr18Ni9NbCu3BN[4]。S30432 鋼種性能優異，但電站鍋爐實際運行過程中會受到煙氣側、蒸汽側的多方面因素影響，個別位置由于吸熱或散熱不均導致的局部超溫爆管事故時有發生[5]。

某電廠660 MW 超臨界變壓運行直流鍋爐，全懸吊結構的π 型鍋爐，已投產運行多年，于2019 年5 月，后屏過熱器底部U 型彎附近鋼管的向火側發生泄漏，導致被迫停爐檢修。發生泄漏的鋼管材質為SA-213 S30432，公稱規格為φ51 mm×10.5 mm。本文通過對樣管進行宏觀觀察、化學成分分析、力學性能檢驗和金相檢驗等，對導致鋼管泄漏的原因進行綜合分析。

1 宏觀分析

發生泄漏的后屏過熱器鋼管宏觀形貌見圖1。從鋼管的宏觀形貌可以看出，發生泄漏的鋼管存在明顯的脹粗，沿鋼管的縱向方向存在多條裂紋，多數裂紋呈斷續的不連接狀態，最嚴重處的裂紋已貫穿整個壁厚。經測量，發生泄漏位置的最大脹粗率達到了約18%，泄漏位置壁厚發生明顯減薄，最薄處的厚度僅有6.9 mm，壁厚減薄率達到了約34%。根據對發生泄漏鋼管的宏觀形貌觀察，鋼管的縱向裂紋是導致泄漏的直接原因。產生縱向裂紋和發生泄漏的位置均在鋼管的向火側。未發現其他明顯的宏觀缺陷。

圖1 發生泄漏的鋼管宏觀形貌

2 化學成分分析

在發生泄漏鋼管的無裂紋位置截取試樣進行化學成分分析，分析所用設備為德國斯派克公司生產的M8 型光電直讀式光譜儀。鋼管的化學成分分析結果見表1。鋼管的化學成分符合ASME 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》的要求，且主要化學成分含量值均不是標準要求的上限值或下限值。

表1 化學成分 %

3 力學性能檢驗

在發生泄漏鋼管的無裂紋位置截取試樣進行力學性能檢驗，所用電子拉伸試驗機的型號為DW-100 型。為保證力學性能試驗結果的準確性，試驗前對試樣采取打磨的方式去除毛刺，并配合酸洗除掉試樣表面的氧化和腐蝕產物，露出金屬光澤。試驗結果見表2。鋼管的力學性能符合ASME SA-213M 的要求，斷后伸長率的試驗結果為標準要求的下限值。

表2 力學性能

4 金相檢驗

分別在發生泄漏的裂紋附近和遠離裂紋的無明顯宏觀缺陷位置截取試樣，進行金相檢驗。截取的試樣經過粗磨、細磨和拋光后，采用鹽酸酒精溶液進行浸蝕，顯微組織觀察所用光學顯微鏡型號為AXIOVERT 200 MAT。 不同位置的顯微組織如圖2 ～圖5 所示，金相檢驗結果見表3。

表3 金相檢驗結果

圖2 裂紋附近內壁金相組織

圖3 裂紋附近外壁金相組織

圖4 遠離裂紋處內壁金相組織

圖5 遠離裂紋處外壁金相組織

5 試驗結果分析

發生泄漏鋼管的宏觀形貌除裂紋處貫穿整個壁厚外，呈現出多條斷續、不連接的裂紋，泄漏位置的最大脹粗率達到了18%，壁厚減薄率達到了34%。該種類型的裂紋形貌為典型的蠕脹裂紋，形成該形貌裂紋一般是在較長時間的超溫運行工況下，材料的高溫強度逐漸下降，達不到設計要求，在內部工質的持續高壓力作用下，使鋼管表面逐漸產生微裂紋并擴展、連接，最終形成穿透性裂紋，發生泄漏事故。根據泄漏位置的宏觀形貌初步判斷，發生泄漏的可能原因是鋼管長時間在超溫工況下運行。

鋼管的化學成分分析結果表明，化學成分符合ASME SA-213M 的要求。化學成分對材料的性能起決定性作用，包括材料的力學性能、抗蒸汽氧化性能、耐蝕性能、組織穩定性等等。ASME SA-213M 中對S30432 的各個化學成分含量均有明確的上下限要求，當實測的化學成分在標準要求的上下限值之間但不接近上下限時，理論上材料的綜合性能表現最好。發生泄漏鋼管的主要化學成分含量值均不是標準要求的上限值或下限值，化學成分檢測結果較理想。

鋼管的力學性能檢驗結果表明，力學性能符合ASME SA-213M 的要求，但斷后伸長率的試驗結果并不理想，僅達到了標準要求的下限值。S30432 鋼管在長時高溫運行后，會析出M23C6相，運行時間越長，析出相越多、尺寸越大。隨著析出相的長大，材料的塑、韌性會隨之下降[6]，該過程是S30432 材料的固有特性，并不會對產品的安全運行造成惡劣影響。

鋼管的金相檢驗結果表明，發生泄漏位置的組織已發生嚴重老化，近外壁和近內壁奧氏體晶界存在不同程度的消失現象，顆粒狀碳化物大量析出。該批次鋼管在采購入廠后復驗時，即鋼管運行前的近外壁金相組織如圖6 所示，金相組織較均勻，晶粒度等級8 級。與運行后鋼管的金相組織相比，運行后鋼管近外壁的奧氏體晶粒出現了明顯的長大現象，晶粒度達到了6 級。

圖6 運行前鋼管近外壁金相組織

正常服役情況下，由于后屏過熱器管外壁直接接觸煙氣，實際溫度會高于內壁，且由于鋼管單側受煙氣沖刷，向火面和背火面的受熱程度差別較大，導致鋼管不同位置的實際運行溫度會出現較大差異，近外壁的奧氏體晶粒存在異常長大的可能。當管子出現超溫時，管壁的溫度會出現明顯的升高，材料內部原子在更高的溫度下活動明顯加劇，晶界和亞晶界會在高溫下部分消失或完全消失。而晶界和亞晶界原儲能成為晶粒長大的驅動力，從而造成了晶粒在高溫下的異常長大。此外，部分位置的碳化物大量析出，取代了原晶界位置，也會造成晶粒異常長大的現象。發生泄漏處的同一位置內外表面金相組織出現明顯差異，可以推測泄漏處出現過明顯超溫而導致的材料局部過熱現象，從而造成大量碳化物析出，晶界部分消失或完全消失。

綜合上述分析結果，本次后屏過熱器管泄漏的主要原因是鋼管在鍋爐運行過程中出現了較嚴重的超溫現象，造成鋼管本身的性能發生明顯劣化，晶界碳化物大量析出，晶界強度弱化，奧氏體晶粒明顯長大。宏觀上，管子在超溫運行的工況下性能發生劣化后，在內部蒸汽壓力的作用下，鋼管逐漸出現脹粗并伴有壁厚減薄現象。當壁厚減薄至一定程度時，材料不足以支撐內部蒸汽壓力，造成管子外壁產生多個蠕脹裂紋，裂紋產生應力集中并連接、從外壁向內壁擴展，最終裂紋貫穿整個壁厚，導致管子發生泄漏。單根鋼管在運行過程中發生較嚴重的超溫現象，可能是鋼管內部存在異物或其他原因導致管內工質流動不暢，無法帶走鋼管吸收的熱量所致，屬于個別現象。如果多根鋼管同時出現類似問題，則考慮可能是設計缺陷或需要進行適當的燃燒調整。本次后屏過熱器管泄漏后，應對后屏過熱器整體進行表面質量檢查，避免后續類似泄漏事故再次發生。

6 結論

1）該后屏過熱器鋼管的化學成分和力學性能符合標準要求，鋼管的原材料滿足ASME SA-213M 的要求。

2）該后屏過熱器泄漏的原因是鋼管運行過程中出現了較嚴重的超溫現象，導致鋼管性能劣化，不足以支撐內部蒸汽壓力，從而產生蠕脹裂紋，最終發生泄漏事故。