過(guò)熱器管是電站鍋爐中承受最高溫度場(chǎng)的受壓元件,因此對(duì)其材料在高溫下的力學(xué)性能和耐腐蝕性能提出了更高的要求。T91鋼為馬氏體耐熱鋼,通過(guò)微合金化處理,材料具備了優(yōu)秀的抗高溫氧化性、耐腐蝕性,以及良好的高溫持久性能,廣泛應(yīng)用于亞臨界、超臨界鍋爐機(jī)組中[1]。實(shí)際使用中,T91鋼過(guò)熱器管處于一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)行工況,運(yùn)行時(shí)受到爐膛溫度、蒸汽品質(zhì)、煙氣成分等因素的影響,經(jīng)常發(fā)生爆管事故[2-3]。如焊接方式不當(dāng),導(dǎo)致T91鋼焊縫存在焊接缺陷或應(yīng)力集中,在高溫和疲勞載荷的作用下,材料就會(huì)萌生裂紋,進(jìn)而發(fā)生爆管泄漏事故。如蒸汽品質(zhì)不高使過(guò)熱器管蒸汽側(cè)形成氧化皮堆積,影響熱量的傳遞,T91鋼管就會(huì)長(zhǎng)期超溫并發(fā)生爆管事故[4]。因此,對(duì)不同鍋爐運(yùn)行工況下的過(guò)熱器爆管泄漏原因進(jìn)行具體分析,并給出針對(duì)性的改進(jìn)措施,對(duì)于鍋爐機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

某電廠2號(hào)鍋爐為亞臨界自然循環(huán)汽包爐,過(guò)熱器按照初級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器、二級(jí)過(guò)熱器的結(jié)構(gòu)形式布置于水平煙道側(cè),鍋爐額定出口壓力為18.20 MPa,額定出口溫度為540 ℃,末級(jí)過(guò)熱器材料為SA-213T91鋼,管子規(guī)格（直徑×壁厚）為51 mm×8 mm。該機(jī)組在運(yùn)行時(shí),水平煙道出現(xiàn)異常泄漏現(xiàn)象,停機(jī)檢修期發(fā)現(xiàn)末級(jí)過(guò)熱器右數(shù)第18屏向火面第3根直管段發(fā)生爆管事故。筆者對(duì)該過(guò)熱器爆管原因進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)分析,以避免該類事故再次發(fā)生。

1. 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)發(fā)生爆管的末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：爆口位于直管段,距下端彎頭焊縫約400 mm；爆口呈鼓包狀,主裂紋沿管縱向開(kāi)裂,主裂紋附近存在大量縱向平行的樹(shù)皮狀小裂紋；整個(gè)爆口可見(jiàn)明顯脹粗和減薄現(xiàn)象,爆口截面方向最大外徑為57.52 mm,最小壁厚為2.76 mm；將管件沿縱向剖開(kāi),內(nèi)表面可見(jiàn)明顯的層狀黑色氧化皮,氧化皮存在明顯爆開(kāi)和脫落現(xiàn)象,脫落的氧化皮呈黑色碎紙片狀。

圖 1末級(jí)過(guò)熱器爆管的宏觀形貌

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

分別在爆管向火面和背火面上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試。根據(jù)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》制備寬度為10 mm的條狀試樣,采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》制備尺寸（長(zhǎng)度×寬度×高度）為3.3 mm×10 mm×55 mm的試樣,采用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。根據(jù)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》,采用布氏硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn),試驗(yàn)載荷為1 837.5 N,加載時(shí)間為15 s。爆管的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知：向火面和背火面試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷面收縮率均滿足ASME SA-210/SA-210M—2023 《無(wú)縫中碳鋼鍋爐及過(guò)熱器管》的要求；向火面試樣抗拉強(qiáng)度接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限,布氏硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限；背火面試樣布氏硬度接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。

1.3 金相檢驗(yàn)

在爆口處截取金相試樣,利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：爆口向火面組織中含有鐵素體和碳化物,為過(guò)熱老化組織,馬氏體位向難以辨認(rèn),晶粒沿管道縱向拉長(zhǎng)變形,晶界處可見(jiàn)大量碳化物析出；爆口附近可見(jiàn)大量宏觀裂紋和微觀蠕變孔洞,表明材料出現(xiàn)嚴(yán)重的組織老化和蠕變損傷,老化級(jí)別為5級(jí),蠕變孔洞損傷為5級(jí)；爆口背火面組織為回火馬氏體,晶界有明顯的碳化物集聚,老化級(jí)別為3級(jí),蠕變孔洞損傷為2b級(jí)。

圖 2爆口處的微觀形貌

1.4 掃描電鏡（SEM）及能譜分析

采用掃描電鏡對(duì)爆口進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：爆口附近外表面存在大量縱向平行的龜裂裂縫,內(nèi)表面同樣存在大量脹粗引起的龜裂裂紋；裂紋附近可見(jiàn)明顯的蠕變孔洞,晶界有大量碳化物析出。

圖 3爆口處SEM形貌

對(duì)析出碳化物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：碳化物主要含有Fe、Cr、C等元素,析出物主要為鐵和鉻的碳化物。

圖 4析出碳化物的能譜分析結(jié)果

對(duì)內(nèi)表面脫落的氧化皮進(jìn)行SEM分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：氧化皮存在明顯的分層結(jié)構(gòu),近管壁側(cè)氧化物結(jié)構(gòu)較致密,蒸汽側(cè)氧化物結(jié)構(gòu)較疏松。

圖 5脫落氧化皮的SEM形貌

1.5 X射線衍射（XRD）分析

對(duì)脫落的氧化皮進(jìn)行XRD分析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：氧化皮主要成分為Fe2O3,還含有少量Fe3O4。

圖 6脫落氧化皮的XRD譜圖

2. 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,爆口位置為彎頭焊縫上端約400 mm的直管處,爆口呈鼓包狀,內(nèi)外表面均可見(jiàn)大量縱向平行的龜裂裂縫,脹粗明顯,邊緣減薄嚴(yán)重；爆口內(nèi)表面可見(jiàn)結(jié)構(gòu)疏松的黑色氧化皮層,并出現(xiàn)剝離和脫落現(xiàn)象；爆口向火面強(qiáng)度明顯下降,硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求；爆口處組織中含有鐵素體和碳化物,為過(guò)熱老化組織,馬氏體浮凸形貌消失,晶粒沿縱向拉長(zhǎng)變形,晶界處大量碳化物析出,爆口附近可觀察到微觀蠕變孔洞和裂紋；析出碳化物主要為鐵和鉻的碳化物,且裂紋附近存在明顯的蠕變孔洞；脫落氧化皮存在明顯的分層結(jié)構(gòu),近管壁側(cè)氧化皮結(jié)構(gòu)較致密,蒸汽側(cè)氧化皮結(jié)構(gòu)較疏松,氧化皮主要為Fe2O3和少量Fe3O4。

金屬材料的性能由合金的化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)決定[5]。T91鋼是一種高合金耐熱鋼,鉻元素使材料的抗氧化能力和耐腐蝕能力增大；鉬元素使材料的再結(jié)晶溫度升高,以增大材料的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度；釩、鈮、氮等元素與鋼中的碳化物形成彌散的碳化物穩(wěn)定相M23C6,保證了材料的熱強(qiáng)性[6-7]。在正火+回火熱處理狀態(tài)下,T91鋼形成細(xì)小的回火板條狀馬氏體,位錯(cuò)密度較高,保證了材料高熱強(qiáng)性、抗氧化性和耐腐蝕性[8]。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),合金中的鉻、鉬元素不斷向碳化物轉(zhuǎn)移,形成粗化的碳化物析出相,削弱了鉻、鉬元素的固溶強(qiáng)化作用。粗化的碳化物相聚集在晶界,導(dǎo)致材料界面的強(qiáng)化效果變差,馬氏體位向遭到破壞,使位錯(cuò)密度降低、強(qiáng)度下降、硬度降低,材料出現(xiàn)蠕變損傷。

爆口位置處于蒸汽紊流區(qū),過(guò)熱器管內(nèi)表面在高溫蒸汽環(huán)境下發(fā)生氧化,表面形成一層氧化皮,阻礙了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱量交換,導(dǎo)致管子的熱傳導(dǎo)性能惡化,該管段實(shí)際溫度隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)不斷升高；在長(zhǎng)期過(guò)熱作用下,回火馬氏體相遭到破壞,并向過(guò)熱的鐵素體轉(zhuǎn)變,逐漸在晶界處析出碳化物顆粒；T91鋼基體和氧化皮的熱膨脹系數(shù)差異較大,疏松多孔的Fe2O3與基體材料的黏結(jié)性較差。當(dāng)氧化皮達(dá)到一定厚度時(shí),在高溫波動(dòng)和交變應(yīng)力的綜合作用下,氧化皮發(fā)生脫落并堆積于下部彎管,導(dǎo)致蒸汽流通截面積減小以及流量下降。T91鋼管過(guò)熱加劇后,材料位錯(cuò)密度降低并形成蠕變孔洞,在交變應(yīng)力作用下,孔洞發(fā)展為蠕變裂紋,導(dǎo)致管子的強(qiáng)度和硬度迅速降低[9]；脫落的氧化皮導(dǎo)致管壁逐漸減薄,因此管壁承受的應(yīng)力不斷變大,最終導(dǎo)致過(guò)熱器發(fā)生爆管事故。

3. 結(jié)語(yǔ)與建議

過(guò)熱器管局部高溫過(guò)熱,使內(nèi)表面產(chǎn)生氧化皮及氧化皮出現(xiàn)脫落,脫落的氧化皮在下彎管部位堆積,管子流通截面積減小、蒸汽流量降低導(dǎo)致管子過(guò)熱,管子的力學(xué)性能劣化、壁厚減薄,在蒸汽壓力的作用下,過(guò)熱器最終發(fā)生爆管事故。

建議加強(qiáng)對(duì)過(guò)熱器管金屬的監(jiān)督,采用金相檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)對(duì)過(guò)熱器管進(jìn)行監(jiān)督檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)管子的異常。在過(guò)熱器爆管附近增設(shè)壁溫測(cè)點(diǎn),加強(qiáng)對(duì)管壁溫度的監(jiān)控,出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)采取措施,避免發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。改善過(guò)熱器運(yùn)行的溫度條件,如對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造,使煙氣溫度場(chǎng)更加均勻,避免局部溫度過(guò)高。

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