摘要：本文针对某电厂1号锅炉三次过热器爆管问题，进行了宏观检查、力学性能试验、金相组织及扫描电镜观察分析，最终确定三次过热器爆管的主要原因是爆口管段发生长时老化，存在一定程度的超温运行情况，但爆口性质为短时过热爆口。
关键词：短时过热爆口；三次过热器；原因分析
1.概述
某电厂1号锅炉是八十年代初从日本引进的350MW火力发电机组，该锅炉三次过热器管已运行约17年，运行温度为500-530℃，出口温度为541℃。三次过热器管于2002年更换过，2019年3月机组检修完成，在启机后不久即发生三次过热器管爆管，运行时间约11.5万小时。取样管宏观照片见图1所示。
图1 取样管宏观照片
2.试验内容
（1）爆口处宏观照片见图2和图3，对取样管的宏观检查发现，爆口管段5-11及24-11爆口特征相似，爆口呈喇叭状，开口较大，爆口边缘有明显的塑性变形和减薄特征，爆口附近表面可见纵向“树皮纹”状特征，爆口附近管段未见明显胀粗，而5-11管段较24-11管段有明显的弯曲变形，从其爆口特征来看，两处爆口均具有典型的短时过热特征，并伴有一定的长时过热特征。27-25和27-10管段存在不同程度的弯曲变形，但未见胀粗特征。24-10对比管段未见变形及胀粗特征。
（2）化学成分分析结果表明，各管段取样化学成分均满足GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》对相应钢种化学成分要求。
（3）室温拉伸试验结果表明，T91材质的5-11爆管段、24-11爆管段和24-10对比管段的强度已低于或接近GB/T 5310规定的下限值，27-10管取样的拉伸性能仍满足标准要求。T22材质的27-25管取样的屈服强度已低于或接近GB/T 5310规定的下限值。
（4）500℃高温拉伸试验结果表明，T91材质的5-11爆管段、24-11爆管段和24-10对比管段的500℃塑性延伸强度已低于GB/T 5310规定的下限值，T91材质27-10管和T22材质的27-25管取样的500℃塑性延伸强度仍满足标准对相应钢种的要求。
图2 5-11爆口管段宏观形貌
图3 24-11爆口宏观形貌
（5）布氏硬度测试在金相试面上进行，其中爆管段5-11和24-11在远离爆口的样管两端取样横截面进行。由测试结果可见，爆管段5-11远离爆口处取样的硬度值均低于GB/T 5310对T91钢管硬度要求（185~250HBW），其余管段所测硬度值均符合GB/T 5310对相应钢种硬度要求，其中24-11和24-10管段的硬度值在标准下限值附近。
（6）爆管5-11附近取样基体组织为铁素体+碳化物，爆口边缘铁素体晶粒明显拉长变形。5-11远离爆口的样管基体显微组织均为马氏体+少量铁素体+碳化物，马氏体位向已不明显。爆管24-11附近取样基体组织为铁素体+碳化物，爆口边缘铁素体晶粒明显拉长变形。24-11远离爆口的基体显微组织均为马氏体+少量铁素体+碳化物，马氏体位向已不明显。对比管24-10金相检验其显微组织为马氏体+少量铁素体+碳化物，向火侧及背火侧内壁氧化皮平均厚度分别约为157.3μm、169.5μm，内壁氧化层内可见微裂纹特征。
（7）对T91取样管横截面金相试样，置于扫描电镜下对基体及氧化皮截面形貌微观观察，并进行能谱分析，电镜及能谱分析结果表明，T91取样基体内可见明显的颗粒状碳化物析出，呈长时老化特征，内壁氧化皮呈双层结构，内层氧化皮较为致密，且富含Cr、Mo等合金元素，外层氧化皮较为疏松，主要由Fe和O元素组成。
3.分析与讨论
通过对取样管段各项理化性能试验，对试验结果进行分析：
（1）两爆口管爆口位置均位于T91直管段，两爆口形貌相似，呈喇叭状，爆口唇部减薄较多，爆口附近表面可见纵向“树皮纹”状特征，爆口附近管段未见明显胀粗，可见两处爆口均具有典型的短时过热特征，并伴有一定的长时过热。
（2）力学性能方面，出口侧T91材质的爆口管5-11、24-11远离爆口处取样，对比管24-10取样，以及进口侧T22材质的27-25管取样的拉伸性能（抗拉强度或屈服强度）已低于或接近GB/T 5310对相应钢种规定的下限值，且爆管段5-11远离爆口处取样的硬度值低于GB/T 5310对T91钢管硬度要求，24-11和24-10管段取样的硬度值也在标准规定的下限值附近。由此表明，取样管段基本都表现出了长时过热老化的特征。
（3）对5-11和24-11爆口及远离爆口处取样金相观察可见，爆口附近铁素体晶粒均有拉长变形，并有沿变形方向形成的微裂纹，表明爆口处微观上有明显的塑性变形特征，呈现出典型的短时过热开裂特征，而远离爆口处取样的显微组织为马氏体+少量铁素体+碳化物，马氏体位向已不明显，呈现出长时老化特征。由此表明，爆口管段发生长时老化，存在一定程度的超温运行情况，但爆口性质为短时过热爆口。
（4）观察对比管24-10内壁氧化皮发现，氧化皮最厚处约170μm，已接近铬钼钢的氧化皮临界剥落厚度(0.2-0.5mm)，且氧化皮处已出现少量贯穿裂纹破坏了氧化皮的完整性，若温度发生剧烈或反复变化，或启停速率控制不佳，则存在一定的剥落风险，而剥落后的氧化皮在弯头处易发生堆积，会阻碍气流流通，导致弯头前方管段的压力增大，而弯头后方管段内会出现蒸汽流量减少，使管壁得不到有效的冷却，金属管壁温度上升，管子力学性能下降。因此，氧化皮的堆积，容易导致弯头及附近区域局部过热，最终引起过热最严重区域发生短时过热爆管。
4.结论及建议
通过上述试验结果及分析，得出以下结论：
5-11和24-11爆口管爆管原因均为典型的短时过热爆管，而对其余管段的理化检验发现，T91管段普遍存在长时老化特征，部分位置取样的力学性能已低于标准规定。
针对上述结论，建议如下：
（1）依据DL/T 438标准中9.3.18的规定，建议对三过出口侧T91材质管段和进口侧T22材质管段取样开展寿命评估工作。
（2）每次停炉检修后对三过管屏下弯头氧化皮堆积情况进行检测，对于氧化皮沉积较多的弯头处，应进行氧化皮清理。在锅炉运行中应当减小温度波动，在锅炉启停过程中，严格控制启停速率，以减少或避免氧化皮的大面积脱落。
（3）在每次机组启动初期一周内，可通过降低主再热蒸汽压力运行，用较高的蒸汽动量将受热面内脱落的少量氧化皮带走，避免脱落的氧化皮在弯头部位堆积堵管。
论文作者:刘天佐,侯德安
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/12
标签：特征论文; 碳化物论文; 金相论文; 基体论文; 弯头论文; 硬度论文; 材质论文; 《电力设备》2019年第14期论文;