田 曉1, 秦承鵬1, 徐 慧, 商雪威

(1. 西安熱工研究院有限公司, 西安 710054; 2. 西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司, 西安 710032)

某電廠6號(hào)鍋爐為二次再熱超超臨界鍋爐(1 000 MW，620 ℃)，鍋爐出口蒸汽壓力為32.9 MPa，主出口蒸汽溫度為605 ℃，再熱蒸汽出口溫度為623 ℃。該鍋爐于2015年12月投運(yùn)，在運(yùn)行1 400 h后其一級(jí)過(guò)熱器吊掛管發(fā)生泄漏。該吊掛管泄漏管段材料為T(mén)91鋼，規(guī)格為φ44.5 mm×10 mm，其下方相鄰管段材料為Super304H鋼。吊掛管上方為一級(jí)過(guò)熱器入口集箱，下方連接一級(jí)過(guò)熱器管屏，吊掛管的正常工作溫度為500 ℃，工作壓力為33 MPa。為查明吊掛管發(fā)生泄漏的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

吊掛管泄漏管段在鍋爐內(nèi)的位置如圖1所示，由于受蒸汽沖擊，泄漏管段與相鄰的吊掛管均發(fā)生變形。圖2是吊掛管泄漏管段的宏觀形貌，將爆口所在管段、爆口上方距離爆口750，1 200 mm處所在管段分別編為1，2，3號(hào)管段。爆口的宏觀形貌如圖3所示，可見(jiàn)爆口位于泄漏管段的背火面，與其下部的Super304H鋼管段焊縫距離為50 mm，爆口呈喇叭形，沿管段縱向長(zhǎng)度為50 mm，開(kāi)口最大寬度為60 mm，爆口處管段發(fā)生明顯塑性變形，其邊緣減薄呈刀刃狀且管壁明顯減薄。綜上可知，爆口具有短時(shí)過(guò)熱開(kāi)裂的特征[1]。距離爆口250 mm處的上方管段管徑有脹粗現(xiàn)象，而爆口下方Super304H鋼管段未見(jiàn)脹粗現(xiàn)象。

圖1 吊掛管泄漏管段在鍋爐內(nèi)位置Fig.1 Position of leakage tube section of supporting tube in the boiler

圖2 吊掛管泄漏管段宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of leakage tube section of supporting tube

圖3 吊掛管爆口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of burst of supporting tube

1.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》和GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》，對(duì)吊掛管泄漏管段取樣，采用CX-9800型光電直讀光譜儀和HW-2000型高頻碳硫紅外分析儀對(duì)試樣的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)吊掛管泄漏管段的化學(xué)成分符合ASEM SA-213(2017)SpecificationforSeamlessFerriticandAusteniticAlloySteelBoiler,SuperheaterandHeat-exchangerTubes對(duì)T91鋼的技術(shù)要求。

表1 吊掛管泄漏管段的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of leaking tube section of supporting tube (mass fraction) %

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，在2，3號(hào)管段上截取拉伸試樣，采用MTS810型電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)2，3號(hào)管段的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度符合ASEM SA-213(2017)的技術(shù)要求，且屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高。

按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，在2，3號(hào)管段上沿縱向截取尺寸為55 mm×7.5 mm×10 mm的沖擊試樣，采用PIT452D-2型金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)2，3號(hào)管段的沖擊吸收能量符合GB 5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)T91鋼的技術(shù)要求(標(biāo)準(zhǔn)要求值不小于30 J，而全尺寸沖擊試樣需以標(biāo)準(zhǔn)值30 J乘以遞減系數(shù)0.75得到22.5 J，即標(biāo)準(zhǔn)要求值應(yīng)不小于22.5 J)。

表2 吊掛管不同管段的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile test results of different tube sections of supporting tube at room temperature

表3 吊掛管不同管段的室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Impact test results of different tube sections of supporting tube at room temperature J

1.4 硬度測(cè)試

1.4.1 布氏硬度

按照GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，在1號(hào)管段爆口近上下尖端、上下部、背面、下方Super304H鋼處，以及2號(hào)管段距爆口750 mm處、3號(hào)管段距爆口1 200 mm處(見(jiàn)圖4)截取試樣，采用310HBS-3000型數(shù)顯布氏硬度計(jì)分別對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，壓頭為φ2.5 mm硬質(zhì)合金球，載荷為1 839 N，保壓時(shí)間為20 s，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4?？梢?jiàn)爆口近尖端的硬度明顯比其他位置的硬度要高，這是由于該位置發(fā)生塑性變形造成了形變硬化。除了爆口近上下尖端之外，爆口背面、爆口上部和下部的硬度均不符合DL/T 438-2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中對(duì)T91鋼的技術(shù)要求(180～250 HBW)，距爆口750，1 200 mm的2，3號(hào)管段硬度符合DL/T 438-2009的技術(shù)要求，Super304H鋼處管段的硬度符合ASME SA-213(2017)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求(不大于219 HBW)。

圖4 吊掛管1號(hào)管段布氏硬度測(cè)試位置Fig.4 Test positions of Brinell hardness of No.1 tube section of supporting tube

測(cè)試位置實(shí)測(cè)值平均值1號(hào)管段爆口近上尖端216,218,2202181號(hào)管段爆口近下尖端201,206,2032031號(hào)管段爆口背面167,166,1681671號(hào)管段爆口上部161,160,1581601號(hào)管段爆口下部164,167,1661662號(hào)管段距爆口750 mm191,192,1931922號(hào)管段距爆口1 200 mm197,197,1971971號(hào)管段Super304H鋼處180,182,183182

1.4.2 維氏硬度

按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，在1號(hào)管段爆口上尖端、下尖端、背面截取試樣，采用FM-800型顯微硬度計(jì)分別對(duì)試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，載荷為1.961 N，保壓時(shí)間為12 s，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5?？梢?jiàn)爆口上下尖端處的硬度明顯比爆口背面的要高，除了爆口上尖端的維氏硬度比ASME SA-213(2017)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)T91鋼的要求更高，爆口下尖端和爆口背面的維氏硬度均符合該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求(不大于265 J)。

表5 吊掛管1號(hào)管段不同部位的維氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.5 Vickers hardness test results of different parts of No.1 tube section of supporting tube HV0.2

1.5 金相檢驗(yàn)

在1號(hào)管段爆口上下尖端及其附近、爆口上下部、爆口背面、爆口下方Super304H鋼管段處，以及2號(hào)管段距爆口750 mm處、3號(hào)管段距爆口1 200 mm處分別截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，用FeCl3鹽酸水溶液(5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mL H2O)浸蝕，無(wú)水乙醇清洗并吹干后，采用Olympus GX71型顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，由圖5可見(jiàn)，爆口及其周?chē)娘@微組織為鐵素體+粒狀碳化物[2]，爆口上下尖端處有細(xì)小碳化物大量析出彌散分布在基體上，爆口尖端附近的晶粒拉長(zhǎng)，推測(cè)是爆口發(fā)生塑性變形所致，爆口及其周?chē)@微組織具有明顯過(guò)熱特征[3-8]。爆口上方距爆口750，1 200 mm處的顯微組織均為回火馬氏體，組織未見(jiàn)異常。爆口下方Super304H鋼管段的顯微組織為奧氏體，晶粒度為8～9級(jí)，組織未見(jiàn)異常。

2 分析與討論

根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，該T91鋼吊掛管泄漏管段的化學(xué)成分、室溫拉伸性能、沖擊性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

由宏觀檢查結(jié)果可知，爆口具有短時(shí)過(guò)熱開(kāi)裂特征。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，爆口及其周?chē)娘@微組織為鐵素體+粒狀碳化物，馬氏體已完全消失，細(xì)小碳化物大量析出彌散分布在基體上，呈現(xiàn)典型的過(guò)熱組織特征，且爆口尖端附近的晶粒因發(fā)生嚴(yán)重塑性變形而被拉長(zhǎng)。由硬度測(cè)試結(jié)果可知，距爆口750，1 200 mm處管段的硬度正常，而爆口附近管段的硬度較低，由此推斷爆口附近管段的拉伸強(qiáng)度也較低，在管內(nèi)介質(zhì)壓力作用下，低硬度區(qū)域管段因拉伸強(qiáng)度不足容易造成管徑脹粗、壁厚減薄，這與爆口附近管段有明顯脹粗現(xiàn)象一致。爆口尖端的硬度比爆口背面的要高，這是由于爆口尖端發(fā)生塑性變形硬化；爆口背面及爆口周?chē)牧嫌捕冗h(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，可知泄漏管段爆口處的顯微組織和力學(xué)性能發(fā)生了明顯劣化。

該爆口與Super304H鋼焊接接頭距離為50 mm，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)焊接接頭處通流面積明顯減小，焊接接頭處極易發(fā)生異物堵塞。在異物堵塞的情況下管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)受阻且熱交換下降，會(huì)使得短時(shí)間內(nèi)管段壁溫超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，甚者達(dá)到或超過(guò)T91鋼的臨界溫度，導(dǎo)致管段耐壓強(qiáng)度大幅下降，最后在內(nèi)壓作用下發(fā)生管徑脹粗和管壁減薄。而管壁的減薄使管壁應(yīng)力進(jìn)一步升高，加大了管壁發(fā)生塑性變形和管壁減薄的程度，當(dāng)壁厚不足以抵抗內(nèi)壓作用時(shí)管壁就會(huì)發(fā)生爆裂。同時(shí)，由于管壁溫度達(dá)到或超過(guò)臨界溫度，造成T91鋼進(jìn)入兩相區(qū)出現(xiàn)鐵素體相，同時(shí)鋼中碳化物充分析出和長(zhǎng)大，所以爆口處的顯微組織為鐵素體+碳化物，馬氏體完全消失。由于Super304H鋼最高許用溫度為700 ℃，所以短時(shí)過(guò)熱未對(duì)Super304H鋼管段造成影響。

3 結(jié)論及建議

該T91鋼吊掛管發(fā)生短時(shí)過(guò)熱，其耐壓強(qiáng)度急劇下降，在內(nèi)部介質(zhì)壓力作用下，管段發(fā)生脹粗和壁厚減薄，當(dāng)壁厚不足以抵抗內(nèi)壓作用時(shí)管段發(fā)生爆裂，導(dǎo)致該吊掛管的泄漏。

建議加強(qiáng)對(duì)鍋爐集箱的清潔度檢查，及時(shí)排除異物，防止吹管后異物在鍋爐吊掛管內(nèi)局部堆積引起的管段短時(shí)超溫。