摘要：火力发电厂锅炉受热面四管泄漏防范对机组安全稳定运行至关重要，四管泄漏涉及锅炉、金属、化学等多个专业，与运行人员操作水平和检修质量等密切相关。根据锅炉末级过热器爆管，从机组运行前后参数和检查情况，对可能导致爆管的原因进行逐一分析，得出了爆管的直接原因。根据机组目前运行存在的问题，提出和制定了相应的预防措施，对同类型超临界锅炉安全稳定运行有一定参考价值。
关键词：660MW超临界锅炉；末级过热器；爆管原因
前言
某电厂660MW机组锅炉（6号炉）系哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的型号HG-2141/25.4-HM15的褐煤锅炉，该锅炉为一次中间再热、超临界压力、变压运行、带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、紧身封闭布置。机组于2011-10-22投运以来，分别于2012-04-29、05-08、05-25、09-13和09-25发生5次末级过热器管爆管泄漏事故，爆管位置均位于锅炉标高69.9m处的SA213-T91钢（以下简称T91）与SA213-TP347H钢（以下简称TP347H）的异种钢焊缝上方T91钢侧100mm范围内。本文对2012-09-25爆管中带有T91与TP347H异种钢焊缝的2种管材进行爆管失效分析试验，旨在找出爆管泄漏事故原因。
1、试验仪器及方法
采用电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）分析爆管样、焊缝及鳍片的化学成分；在Leco500型台式光学显微镜下进行管样金相组织观察；在MTS80电液伺服材料试验机上测试管样及焊缝的高温力学性能；采用Quanta400扫描电镜（SEM）观察断口形貌，用其附带的美国NORANQUESTL2能谱仪（EDS）分析断口产物成分；采用日本理学D/MAX-2500/PC型X射线衍射仪分析附着物物相组成。
2、试验结果及分析
2.1宏观检查
爆口位于6号锅炉末级过热器左数第22屏、炉前数第11根管的T91与TP347H异种钢焊缝上方T91侧50mm处。该管在爆破时的巨大冲击作用下变形出列，并插入左数第16屏处，爆口开口较大，呈“鱼嘴”状，且爆口边缘减薄严重，具有明显的短时过热特征。爆口管子内外表面均无严重腐蚀现象。
2.2化学成分分析
经过对比，爆管样化学成分均符合ASTMA213/A213M-10a标准[1]中对T91钢与TP347H钢的材质要求（见表1）。由于钢中五害元素（As、Sn、Pb、Sb、Bi）容易导致回火脆性，使钢的韧性降低、50％韧性断口的转变温度升高，国内外对钢中五害元素的质量分数作了明确限制，如我国GB/T700—2006[2]中规定As的残余质量分数应不大于0.08%，瑞典SKF的D33标准中规定：w（As）≤0.04%，w（Sn）≤0.03%，w（Pb）≤0.002%，w（Sb）≤0.005%。因此，在常规化学分析的基础上，对爆管样进行了钢中五害元素化学成分分析，结果见表2。可以看出，T91管段与TP347H管段中五害元素质量分数均很低。因此可以断定，该末级过热器管材不存在材质错用以及化学成分不合格问题。
表1 爆管各化学元素质量分数及 ASTM标准 1）要求 %
表2 管材中五害元素质量分数
表3 管材及异种钢焊缝力学性能
2.3常温下力学性能分析
表3是T91管段、TP347H管段及T91与TP347H异种钢焊缝的力学性能指标。从表3看出，6号锅炉末级过热器T91与TP347H管材的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及冲击韧性等常温力学性能指标均符合GB5310—2008要求，T91与TP347H异种钢焊缝的抗拉强度也符合GB5310—2008标准要求。
2.4金相组织分析
图1分别为放大50倍和放大500倍的T91母材爆口处的金相组织。可以看出，爆口处的金相组织中马氏体发生回复，马氏体的位向消失，碳化物颗粒聚集长大非常明显。对爆口下方50mm处的T91与TP347H异种钢焊缝及焊缝下方的TP347H母材进行金相检验。异种钢焊缝T91侧热影响区为奥氏体焊缝+过热粗大马氏体组织；焊缝为树枝晶状高温铁素体+奥氏体组织；TP347H侧热影响区为奥氏体焊缝+母材奥氏体组织，TP347H侧母材单相等轴奥氏体组织。异种钢焊缝及焊缝两侧金相组织均未见异常。
图1 T91爆口处金相组织
2.5断口扫描电镜分析
对末级过热器T91管爆口进行扫描电子显微分析，发现其断口存在大量撕裂状韧窝及撕裂棱。爆裂以韧性开裂为主，说明T91管材具有较好的韧性和塑性，同时也符合短时超温过热导致爆破的特征。
2.6TP347H管材内壁高温氧化皮X射线衍射物相（XRD）分析
现场检查发现，爆口下方TP347H管材内壁发现有氧化物生成，取样对氧化物内、外表面进行X射线衍射物相分析，该氧化物的内、外表面物相均为饱和价态Fe2O3。一般末级过热器管材在高温饱和干蒸汽作用下生成饱和价态Fe2O3和不饱和价态Fe3O4，本次爆管中TP347H管内壁氧化物基本为饱和价态Fe2O3，说明TP347H管材在运行中承受温度偏高，加速了内壁氧化物不饱和价态Fe3O4向饱和价态Fe2O3的转变。
2.7T91、TP347H管壁厚校核
为了确认末级过热器管的壁厚是否满足设计要求，按照GB9222
—2008《水管锅炉受压元件强度计算》标准对管子壁厚进行校核。在T91、TP347H管壁厚度校核计算中，锅炉厂给定的参数t=590℃，p=28.0MPa，Dw=51mm，590℃下T91、TP347H许用应力的最小值分别为69.0MPa与99.0MPa，T91、TP347H钢管需要的最小壁厚分别为9.1mm、6.8mm。末级过热器T91与TP347H的设计壁厚均为10mm，实测T91管厚度为9.1～9.8mm，而TP347H侧的实测壁厚为10.1～10.8，说明2种材质的管壁厚度符合设计最小壁厚要求，但T91管的壁厚接近于下限。同时从材料自身使用性能分析，590℃条件下，T91钢的许用应力为69.0MPa，而TP347H钢的许用应力为99.0MPa，后者在该温度下许用应力较前者高出43.5%，说明T91管在高温条件下的使用性能劣于TP347H管，因此T91管为整个末级过热器管系中最为薄弱的部位。而锅炉在正常运行状态下，从末级过热器低温段向高温段过渡时，T91与TP347H异种钢焊缝附近的T91管处于整个T91管段中温度最高的部位。
3、结论及建议
综上分析，爆口处T91钢的金相组织中马氏体位向消失、碳化物颗粒聚集长大，说明管材存在过热现象；爆口下方TP347H管内壁氧化物主要物相组成为Fe2O3，也说明TP347H管在运行中的承受温度偏高。理论上讲，TP347H钢抗氧化性能优于T91钢，但其热膨胀系数也比T91钢大很多，即在温度波动较大时所生成的氧化物容易脱落。当末级过热器管内被异物堵塞，或机组启动及运行过程中锅炉负荷波动大时，未能保持良好的汽水循环导致汽塞，均可导致管壁迅速超温，在管系薄弱点管径变粗、管壁变薄，产生动态结晶型蠕变，以致形成塑性变形和延性断口。由此认为，短时超温过热是6号锅炉末级过热器多次爆管的主要原因。
建议查找并清除可能引起短时过热现象的堵管异物，监测末级过热器管系内氧化物脱落情况，同时要控制锅炉在启机过程中的温升速率与停机过程中冷却速度，避免类似事故再次发生。
参考文献：
[1]高荣，张少军．TP347H不锈钢高温过热器爆管原因分析[J]．内蒙古电力，2013，31（1）：116-122.
[2]成志红．超临界600MW机组锅炉末级过热器爆管原因分析及预防措施[J]．热力发电，2011，40，7：81-83.
[3]高清林，陈敦炳，黄庆专，等．600MW超临界锅炉高温管屏蒸汽氧化探析[J]．东北电力技术，2015，36（3）：38-39．
论文作者:肖彦涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
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