摘要：T91钢是一种改进的9Cr1Mo钢，它是由美国国家橡树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的，是在9Cr1Mo钢的基础上，降低含碳量，添加微量Nb、V合金，并对含N量加以控制得到的。T91钢具有高的持久强度、高的蠕变抗力、高的疲劳强度、高的热导率、良好的焊接性、较好的抗蚀性，以及适中的价格等特点，正是由于这些优点使得T91钢被认为是完成主蒸汽温度由538℃向566℃过渡的首选材料，也是完成主蒸汽温度由566℃向593℃过渡的关键材料，目前其已在世界各国的亚临界、超临界和超超临界发电机组的高温承压部件上得到广泛应用。本文针对某电厂350MW亚临界机组T91高温过热器管服役120000h发生爆管进行组织性能分析研究，通过分析找出爆管的原因，以为机组后续安全稳定运行提供有效的依据。
关键词：高温过热器；T91钢管；爆管原因分析
引言
通过宏观分析、化学成分、显微组织、常温和高温力学性能、扫描电镜分析等试验手段对某电厂超临界锅炉高温过热器出口Ｔ９１钢管爆裂的原因进行了分析。结果表明：由于管材组织严重老化、力学性能下降，以及短期过热等因素共同影响，钢管在超温过热环境下运行导致管壁承受的应力超过了其屈服极限，从而在相对薄弱的向火面处发生开裂。
1试验材料和方法
该锅炉为亚临界压力、一次再热、煤与煤气混烧的强制循环锅炉，锅炉蒸发量为1160t/h，蒸汽参数17MPa/538℃/538℃。过热器管已运行120000h，运行温度为500～538℃，出口温度为538℃。爆管为三次过热器后屏第6屏夹管，该夹管为SA-213T91与SA-213TP347H对接焊管，规格均为准48.3mm×8mm，蒸汽从TP347H流向T91侧，爆口位置位于近焊缝处T91一侧。对爆管段、未爆管段（对比管）分别进行了宏观检查，包括爆口形貌、管内外壁和管内径尺寸等情况，并进行拍照记录。在日本岛津AG-IC100kN精密电子万能材料试验机上进行爆管段、未爆管段拉伸性能试验，编号为L1～8。测试标准为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》。采用ZEISSAXIOVERT200MAT研究级倒置万能金相显微镜，对金相取样进行金相检验，编号为3#～6#。测试标准为DL/T884-2004《火电厂金相检验与评定技术导则》。在爆管段、未爆管段（对比管）取样，在HBS-3000型数显布氏硬度计上进行硬度试验，试验力为187.5kgf（1kgf=9.8N），负荷保持时间10s，编号为1#、2#、3#、6#、7#、8#。测试标准为GB/T231.1-2009《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》。
2试验结果
2.1宏观形貌
根据爆管和对比管宏观形貌可看出，爆口位置位于近焊缝处T91一侧，爆口张开较大，边缘减薄成锋利状，表面光滑，爆口壁厚明显减薄，爆口附近管径未见胀粗现象，未发现沿管方向的纵向裂纹。爆口内壁氧化严重，部分氧化皮脱落。对比管的内壁有明显的氧化皮，氧化皮未发现局部脱落，管径未见胀粗现象。管内径尺寸测量结果所示，爆口两侧管内径存在差别，T91侧管与TP347侧管内径比为33：31。拉伸性能试验T91管和TP347H钢管的室温拉伸试验结果明，爆口T91侧管室温拉伸性能已显著下降，已接近或低于GB/T5310-2008对于T91钢的性能要求；爆口TP347H侧管的室温拉伸性能满足GB/T5310-2008对于TP347H钢的性能要求。硬度试验硬度试验结果表明，爆口附近的T91侧管的硬度接近或低于DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》对于T91的要求；TP347H侧管的硬度满足DL/T438-2009对于TP347H的要求。
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2.2金相检验
爆口边缘有明
显的塑性变形特征，爆口处的组织为拉长铁素体+碳化物，马氏体位向已严重分散，爆口边缘及附近均有较多的微裂纹和孔洞；爆口背面组织主要为铁素体+少量马氏体+碳化物，马氏体位向已严重分散，晶粒度9～10级，氧化皮厚度为41μm；T91对比管组织主要为细小的马氏体，晶粒度10～11级。内壁氧化皮厚度为156μm；爆口TP347H侧管组织为奥氏体+少量孪晶，晶粒度为5～7级，内壁氧化皮厚度为30μm。
3失效原因分析
爆口张开较大，边缘减薄成锋利状，表面光滑，爆口壁厚明显减薄，爆管附近管段未见胀粗现象，爆口具有典型短时超温开裂特征。爆口处组织和爆口附近T91管组织中马氏体位向已严重分散，组织为铁素体+少量马氏体+碳化物，为T91钢发生相变后的组织。表明爆口附近均在超温状态下运行，瞬时温度已高于T91钢的相变温度Ac1。爆口两侧管内壁存在氧化皮，部分氧化皮已脱落，同时，爆口上段有少量氧化皮堆积现象。研究表明，T91管长期高温运行后蒸汽侧氧化皮微观结构形貌为双层结构，外层为Fe3O4和少量Fe2O3，内层为Fe3O4或Cr3O4。氧化皮的热阻较大，运行过程中将阻碍蒸汽介质和管壁金属的热量交换，导致管壁金属温度上升。同时，管壁氧化皮和管壁金属存在热膨胀差，当机组启停或负荷突变时，易导致管内壁氧化皮脱落。爆口两侧管内径存在差别。研究表明，当蒸汽遇到断面突扩，进入直径较大管段时，主流不能贴壁流动，而与边壁分离。同时主流与管壁之间将产生旋涡，这是由于流体突然进入大管道时流速下降，局部静压升高，近管壁处的流体形成倒流或旋涡。此外，从管径突然变化处开始，主流逐渐扩大，致使流线弯曲，流速分布相应发生变化。脱落的氧化皮在流体倒流或旋涡作用下将产生堆积，严重时将阻塞气流流通，导致管壁金属温度急剧上升，管子力学性能显著下降，最终引起短时过热爆管。
结语
过热器爆管T91侧管段组织已严重老化，力学性能均接近或低于标准要求，管内壁氧化皮部分脱落，在管径发生突变处堆积阻塞了蒸汽流通，是导致T91管短时过热爆管的主要原因。由于机组运行中压力、温度的剧烈变化，氧化层的剥离是受氧化膜与基体之间膨胀系数不同产生的应力作用而发生的。在温度变化范围较大时，很易引起氧化皮的脱落，因此建议在锅炉运行中应当减小温度的波动，在锅炉的启停过程中，严格控制启停的速率，以避免脱落的氧化皮在部分部位堆积堵管，以保证锅炉长期安全稳定的运行。
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论文作者:师学礼
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/8
标签：管壁论文; 金相论文; 组织论文; 高温论文; 锅炉论文; 蒸汽论文; 温度论文; 《建筑模拟》2018年第4期论文;