馮紅武，梅云平，田 澤，葉建鋒

（1.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

火力發(fā)電廠再熱器的作用是將從汽輪機(jī)中出來的水蒸氣加熱成過熱蒸汽的加熱器，再熱器進(jìn)一步提高了電廠循環(huán)的熱效率，并使汽輪機(jī)末級(jí)葉片的蒸汽溫度控制在允許的范圍內(nèi)［1-3］。再熱器材質(zhì)一般選用12Cr1MoV、T23、T91、TP304、TP347等合金鋼［4-13］。

Super304H 鋼是在TP304H 的基礎(chǔ)上加入適量阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的Cu、Nb、N等元素［14-16］，得到較細(xì)的晶粒尺寸，同時(shí)在服役時(shí)產(chǎn)生微細(xì)彌散、沉淀于奧氏體內(nèi)的富銅相，并與其互相密合，從而達(dá)到高溫強(qiáng)度以及優(yōu)良的抗腐蝕性能［17-19］。Super304H 鋼主要用于超（超）臨界鍋爐的過熱器和再熱器［20-24］。

近年來，高溫再熱器爆管現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生［25-32］。本文對(duì)爆管爆口處、爆口附近、爆口遠(yuǎn)離處（圖1（a）紅色箭頭所指部位）進(jìn)行試驗(yàn)分析，并選該爆管相鄰管進(jìn)行金相組織對(duì)比，查明了某電廠Super304H鋼鍋爐高溫再熱器爆管原因，對(duì)電廠管道的檢修及金屬監(jiān)督起到參考作用。

1 概況

某電廠6號(hào)鍋爐高溫再熱器第63屏第4根管發(fā)生爆管，爆口的現(xiàn)場(chǎng)形狀如圖1（a）所示，爆口呈喇叭狀，長(zhǎng)約200 mm，寬90 mm。高溫再熱器管規(guī)格為Φ57 mm×4 mm，材質(zhì)為SA-213S30432，即Super304H。

2 試驗(yàn)部分

2.1 宏觀檢查

對(duì)爆管爆口區(qū)域進(jìn)行宏觀檢查，圖1（b）為爆口截取的小塊試樣，可以看出爆口處覆蓋了一層氧化皮，爆口有少量的蠕變裂紋；圖1（c）為爆口截取樣品的內(nèi)壁，可以看到有平行于再熱管軸向的蠕變裂紋。對(duì)爆口邊沿及遠(yuǎn)離爆口處管壁進(jìn)行測(cè)厚，結(jié)果如圖2所示，爆口部位管壁有減薄，遠(yuǎn)離爆口處管壁厚度基本未變化。

圖1 再熱器管爆口圖Fig.1 Reheater tube cracking-off

圖2 高溫再熱管壁厚Fig.2 Wall thickness of high temperature reheat tube

2.2 光譜分析

對(duì)爆管爆口處、爆口附近以及遠(yuǎn)離爆口處（圖1（a）紅色箭頭所指部位）分別進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表1所示，可見，高溫再熱器管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)《ASME SA-213鍋爐、過熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》中S30432的要求以及《GB/T 5310-2017 高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中牌號(hào)0Cr18Ni9NbCu3BN要求。

表1 爆管光譜分析結(jié)果Table 1 The result of spectrum analysis for tube explosion

2.3 硬度測(cè)量

對(duì)爆管爆口處、爆口附近處、爆口遠(yuǎn)離處進(jìn)行硬度測(cè)量，結(jié)果如表2所示，爆口處硬度稍高于附近區(qū)域及遠(yuǎn)離區(qū)域，3 處位置的硬度均在《ASME SA-213 鍋爐、過熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》及《GB/T 5310-2017 高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中牌號(hào)0Cr18Ni9NbCu3BN要求的范圍內(nèi)。

表2 硬度測(cè)量結(jié)果（單位：HBW）Table 2 Results of hardness testing（Unit:HBW）

2.4 硬度與強(qiáng)度換算

根據(jù)《GB/T 1172-1999 黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，爆口處、爆口附近、爆口遠(yuǎn)離處對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度分別為639 MPa、576 MPa、576 MPa，而ASTM A213 中要求Super304H的強(qiáng)度高于590 MPa，實(shí)際檢測(cè)的管道強(qiáng)度偏低，說明再熱器管長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，強(qiáng)度降低。

2.5 金相分析

對(duì)爆管爆口裂紋尖端處、爆管爆口處、爆口附近、遠(yuǎn)離爆口處分別進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為未腐蝕的裂紋尖端圖，可以看出，再熱器管未發(fā)現(xiàn)夾雜物，裂紋呈人字形發(fā)展；圖3（b）可以看出，裂紋以穿晶的方式開裂；圖3（c）可以看出，爆管爆口處管道有大量的蠕變孔洞；圖3（d）、圖3（e）、圖3（f）可以看出，爆口處、爆口附近、遠(yuǎn)離爆口處再熱器管奧氏體晶粒粗大，晶界逐漸退化，有部分碳化物析出以及少量的蠕變孔洞；按照《DL/T 1422-2015 18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，爆口處、爆口附近、遠(yuǎn)離爆口處金相組織的老化級(jí)別均為4級(jí)。

為了更好分析爆管原因，從爆管相鄰的位置第64屏第4根管子、第63屏第5根管子、第63屏第6根管子取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖3（h）、圖3（i）、圖3（j）所示，奧氏體晶界清晰明顯，晶界有少量的碳化物析出，金相組織老化級(jí)別均為1級(jí)，即未老化。

圖3 高溫再熱器管金相圖譜Fig.3 Metallographic map of high temperature reheater tube

2.6 掃描電鏡分析

對(duì)爆管爆口處及裂紋尖端金相樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖4 所示，從爆管爆口邊緣處圖4（a）可以看出，有多條裂紋；爆管爆口中心處圖4（b）覆蓋了很厚的氧化物，可以看出有二次裂紋，無(wú)法辨別其斷裂的方式。從圖4（c）中可以看出，裂紋呈人字形擴(kuò)展；圖4（d）可以看出，裂紋為穿晶開裂。

圖4 爆管爆口及裂紋電鏡圖Fig.4 Electron microscope of the opening and crack of the blasting tube

2.7 能譜分析

對(duì)裂紋處進(jìn)行了能譜分析，如圖5（a）所示位置。5 個(gè)點(diǎn)的具體成分圖如圖5（b），裂紋位置Cr、Ni、Cu 等元素含量明顯比未開裂位置低，而非金屬元素C、O、Cl等元素含量明顯偏高，主要為氧化產(chǎn)物以及Cl-腐蝕產(chǎn)物［33］。

圖5 裂紋處EDS能譜圖Fig.5 EDS spectrum of crack

3 綜合分析

再熱器管的材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，爆管處管壁厚度略有減薄，硬度在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，發(fā)生爆管的管子爆口處比該管子遠(yuǎn)離爆口的位置硬度略高；爆管爆口處及該管未爆管段組織均老化嚴(yán)重，晶界已經(jīng)不明顯，且有較大的析出物，而相鄰管道的金相組織未老化，晶界明顯；老化主要由超溫使用所引起，超溫是爆管的主要原因；同時(shí)爆口處存在化學(xué)腐蝕，主要以C、O元素為主的氧化腐蝕產(chǎn)物，以及Cl 元素為主的Cl-腐蝕產(chǎn)物，為爆管的重要原因。

4 結(jié)語(yǔ)

建議檢查再熱器管路徑進(jìn)出口是否有異物堵塞管口，必要時(shí)可用內(nèi)窺鏡查看；同時(shí)檢修時(shí)加大對(duì)爆管整個(gè)管道路徑的排查，發(fā)現(xiàn)硬度異常的情況，及時(shí)進(jìn)行金相核查，對(duì)于老化嚴(yán)重的管道予以更換；并對(duì)水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，控制其含氧量及Cl-濃度。