李洪濤，王海梅，魏玉忠

（華電國際鄒縣發(fā)電廠，鄒城273522）

1 鍋爐概況

某機(jī)組為國內(nèi)首批1 000MW超超臨界機(jī)組，于2006年投產(chǎn)，鍋爐為超超臨界壓力變壓運(yùn)行燃煤本生型直流鍋爐，Π型布置，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼架、懸吊結(jié)構(gòu)。高溫再熱器出口聯(lián)箱選用進(jìn)口P91鋼，與聯(lián)箱連接管段選用國產(chǎn)T91耐熱鋼管（直徑50．8mm、壁厚4mm），壁溫報(bào)警值648℃。截至2011年11月機(jī)組累計(jì)運(yùn)行3×104h。

2011年鍋爐在檢修中對高溫再熱器（簡稱高再）出口T91材質(zhì)連接管進(jìn)行蠕脹測量，發(fā)現(xiàn)脹粗現(xiàn)象，832根高再管子中約有200根管子存在脹粗，其中脹粗超過上限的管段有10根。T91鋼管宏觀檢查外壁顏色發(fā)黑，有明顯的氧化皮，局部氧化皮剝落［1－2］。

2 高再出口連接管性能評(píng)估

為全面了解高再出口T91鋼連接管性能水平和組織狀態(tài)，對服役管段隨機(jī)割管進(jìn)行性能評(píng)價(jià)（根據(jù)位置依次編號(hào)為1號(hào)～7號(hào)），為機(jī)組檢修金屬監(jiān)督和設(shè)備改造提供技術(shù)依據(jù)。

2．1 樣管宏觀檢驗(yàn)

依據(jù)DL／T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)，采用外觀目視檢查、管子外徑、厚度檢測等檢驗(yàn)方法，對送檢管進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)以及尺寸測量。取樣管外壁有明顯的氧化皮，呈黑色，脹粗率為1．02%、1．12%。依據(jù) DL／T 438第9．3．12條規(guī)定：當(dāng)T91管外徑蠕變值大于1．2%時(shí)應(yīng)及時(shí)予以更換。

2．2 樣管力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)GB／T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB／T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)》，在AG－IC島津電子拉伸萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫和高溫拉伸試驗(yàn)，加載位移速率為2mm／min，條件屈服強(qiáng)度使用引伸計(jì)測定，采用弧形試樣，保留試樣原始表面狀態(tài)。高溫拉伸試驗(yàn)的溫度為620℃（溫度選取參考實(shí)際運(yùn)行溫度）。試驗(yàn)結(jié)果見表1及表2。

表1 T91室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表2 T91高溫（620℃）拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表1及表2可以看出：樣管室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足GB 5310對T91鋼的要求，3號(hào)樣管的室溫抗拉強(qiáng)度低于GB 5310對10Cr9Mo1VNbN鋼的要求。2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)及5號(hào)樣管室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度低于制造廠家提供原始管數(shù)據(jù)；620℃下樣管的屈服強(qiáng)度低于日產(chǎn)T91鋼的屈服強(qiáng)度，2號(hào)、4號(hào)樣管的抗拉強(qiáng)度低于日產(chǎn)T91鋼的抗拉強(qiáng)度，1號(hào)、6號(hào)樣管略高于日產(chǎn)T91鋼的抗拉強(qiáng)度。

2．3 樣管硬度檢驗(yàn)

依據(jù)GB／T 4340—2009《金屬維氏硬度試驗(yàn)第1部分試驗(yàn)方法》進(jìn)行測量，1號(hào)～7號(hào)樣管的硬度滿足DL／T 438對T91鋼的要求，相對原始管硬度值，取樣材質(zhì)硬度下降的趨勢明顯。

2．4 樣管金相檢驗(yàn)

依據(jù)DL／T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對七組樣管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，在金相顯微鏡蔡司“Axiover”200MAT下觀察。圖1為5號(hào)基體氧化皮顯微圖片。

圖1 5號(hào)樣管內(nèi)壁氧化皮

從檢測結(jié)果看：1號(hào)～7號(hào)樣管內(nèi)、外壁都有較厚的氧化皮，內(nèi)壁氧化皮厚度為74．77～328．66μm，組織為板條馬氏體＋碳化物，碳化物在晶界析出。根據(jù)DL／T 884中關(guān)于T91鋼的老化級(jí)別評(píng)定，老化級(jí)別為3～4級(jí)。

2．5 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡對析出物及內(nèi)壁氧化皮進(jìn)行觀察，組織為板條馬氏體＋碳化物，部分碳化物在晶界析出。圖2為5號(hào)樣管基體圖片。

圖2 5號(hào)樣管基體圖片（1 000倍）

2．6 金屬管壁當(dāng)量運(yùn)行溫度計(jì)算

高溫鍋爐管內(nèi)壁氧化皮的增長厚度與其在該段服役期內(nèi)的當(dāng)量金屬溫度有一定的對應(yīng)關(guān)系。某段管子不管曾經(jīng)在何種溫度、何種應(yīng)力條件下運(yùn)行了多少時(shí)間，其壽命的損耗程度總可以等效于在某一固定的金屬溫度及特定的應(yīng)力條件下服役了相同時(shí)間，這個(gè)等效的金屬溫度就稱之為當(dāng)量金屬溫度。當(dāng)量金屬溫度可以按照美國及加拿大普遍采用的Laborelec經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即：

式中：T為金屬溫度，℃；x為管子內(nèi)壁氧化層厚度，mm；t為管子已運(yùn)行時(shí)間，h，運(yùn)行時(shí)間按照30 000h計(jì)算；a、b為特定材料常數(shù)。

按式（1）計(jì)算，樣管的當(dāng)量運(yùn)行溫度為612～623℃，見表3。

表3 當(dāng)量溫度計(jì)算

3 性能分析

根據(jù)T91的材料特性和設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀況分析結(jié)果表明：樣管經(jīng)30 000h的運(yùn)行后內(nèi)壁有較厚的氧化皮，且材料的性能有所下降。根據(jù)氧化皮厚度計(jì)算的當(dāng)量運(yùn)行溫度結(jié)果，樣管的當(dāng)量運(yùn)行溫度為553～623℃，與根據(jù)電廠提供的T91管實(shí)際運(yùn)行溫度為620℃相符。

T91管長期在此溫度下運(yùn)行，內(nèi)壁容易生長大量的氧化皮，且性能下降速度較快。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，T91的內(nèi)壁氧化皮一般分為兩層，內(nèi)層為Fe較為致密的氧化層，外壁為Fe較為疏松的氧化層。當(dāng)T91管使用溫度超過600℃，或氧化皮厚度達(dá)到0．2～0．4mm時(shí)，氧化皮容易發(fā)生開裂和剝落。

4 評(píng)估結(jié)論及改造方案

T91管子高溫下運(yùn)行3×104h后，高再出口管材組織為板條馬氏體＋碳化物，碳化物在晶界析出，根據(jù)DL／T 884中關(guān)于T91鋼的老化級(jí)別評(píng)定，老化級(jí)別為3～4級(jí)，相對原始管，其材質(zhì)硬度、強(qiáng)度下降趨勢明顯。當(dāng)量運(yùn)行溫度計(jì)算表明：T91管的當(dāng)量運(yùn)行溫度在612～630℃。此溫度超出T91鋼推薦使用的長時(shí)運(yùn)行溫度600℃。

國內(nèi)首批1 000MW超超臨界機(jī)組再熱汽熱端管道選用P91鋼，對應(yīng)的高再出口聯(lián)箱及管接頭也選用91類鋼。機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐證明：應(yīng)用于再熱器出口的管道選材等級(jí)偏低，特別是高再出口連接管，設(shè)計(jì)溫度624℃，壁溫報(bào)警溫度設(shè)置最高達(dá)648℃，部分時(shí)間段（如低負(fù)荷區(qū)間）實(shí)際運(yùn)行溫度超過620℃。近年來投產(chǎn)的機(jī)組，對再熱器熱端管道材料進(jìn)行了升級(jí)，選用了抗氧化性和高溫性能更好的 T92／P92鋼［3］。

高再聯(lián)箱布置見圖3。蒸汽經(jīng)立式管屏加熱進(jìn)入高再出口分配集箱，再水平進(jìn)入高再出口混合集箱。改造方案是將分配聯(lián)箱和連接管材料升級(jí)為T92／P92鋼，分配聯(lián)箱與連接管管座焊縫、下部與管屏相連異種鋼焊縫可在制造廠家完成，焊接和熱處理質(zhì)量得到保證，同時(shí)兼顧分配聯(lián)箱材料升級(jí)改造一步到位，便于現(xiàn)場施工。改造方案見圖4，粗黑色線條為更換部件。

圖3 高再聯(lián)箱布置示意圖（單位：mm）

圖4 高再出口聯(lián)箱改造更換示意圖（單位：mm）

5 結(jié)語

由上述分析可知：高再出口連接管設(shè)計(jì)時(shí)選用T91材料不能滿足機(jī)組長期安全運(yùn)行，所以應(yīng)從源頭解決鍋爐受熱面早期失效問題，確保選材的合理性。

高溫過熱器、屏式過熱器、高溫再熱器出口連接管分布在爐膛以外，屬于非受熱面，材料等級(jí)一般低于爐膛內(nèi)受熱面。另外，受壁溫報(bào)警值設(shè)置、鍋爐燃燒變化、機(jī)組負(fù)荷變化等影響，連接管實(shí)際壁溫存在超過設(shè)計(jì)溫度或材料許用溫度區(qū)間，造成材質(zhì)提早老化。高溫受熱面金屬監(jiān)督檢查往往較重視爐膛內(nèi)部分高溫段和立式管屏下彎頭等薄弱區(qū)域，忽視了對出口連接管的監(jiān)督，一些潛在隱患不能及早發(fā)現(xiàn)，容易造成管材失效爆管，因此應(yīng)重視對高溫受熱面出口連接管的金屬監(jiān)督檢查，檢修時(shí)重點(diǎn)檢查相應(yīng)管段的脹粗和金相組織，定期割管檢查其內(nèi)壁氧化情況、組織和力學(xué)性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患并加以預(yù)防，減少安全事故的發(fā)生。

［1］羅玉英，朱慶勝．超臨界機(jī)組高溫受熱面氧化皮脫落分析與處理措施［J］．科技傳播，2011（18）：68－69．

［2］黃穎．T91／P91鋼管在電站鍋爐上的應(yīng)用［J］．發(fā)電設(shè)備，1998，12（3）：26－27，30，44．

［3］于濱，苗淑紅．超臨界鍋爐氧化皮預(yù)防處理研究［J］．電力建設(shè)，2009，30（2）：101．