某電站鍋爐高溫過熱器管屏泄漏原因分析及對策

邵 斌,戚運濤,程 翔

(1.皖能合肥發電有限公司，安徽 合肥 230041;2.安徽新力電業科技咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

1 試驗與分析

1.1 宏觀檢查與分析

對泄漏的高溫過熱器管屏進行宏觀檢查,見圖1所示,泄漏管有一彎管段,整段管表面存在有結焦和吹損的痕跡,沿箭頭方向對紅色方框點分別編號為#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7,其中爆口發生在彎管處(編號為#5)的內彎部位,從圖1下部圖片可以看出,管內彎表面部分區域存在結焦情況,爆口處的脹粗非常明顯,邊緣鋒利,爆口的開口很大且呈喇叭狀,觀察管內壁可見有氧化皮。爆口處的管壁減薄較多,爆口處壁厚的測量值為2.00 mm左右。對管徑及管內外側(以彎管內側部位為內側)壁厚進行檢測,測量值見表1所示。DL/T 438—2016標準[8]中9.3.19規定,T91類管外徑蠕變應變應小于1.2%;9.3.2規定,對于高溫段過熱器管,壁厚減薄量不應超過設計壁厚的20%。從表1中可以知道,該段高溫過熱器管的外徑蠕變應變率均高于1.2%,按照標準的規定,該段管應及時更換。同時該管壁厚減薄量(除爆口處)均在標準規定的減薄量范圍內,同時內側管壁的減薄量明顯高于外側。

表1 高溫過熱器管屏管徑和壁厚值

圖1 泄漏管的宏觀照片

1.2 微觀組織檢驗

分別在爆口處(見圖1中#5部位,以下稱1號)、爆口背面處(以下稱2號)、距離爆口約260 mm處同爆口一側處(見圖1中#7部位,以下稱3號)及背側(以下稱4號)截取金相試樣,經#120、#240、#320、#500砂紙進行磨制處理,隨后進行拋光處理,之后使用FeCl3鹽酸溶液腐蝕,最后在Carl Zeiss的Axio Observer倒置式金相顯微鏡下觀察其組織,金相照片見圖2～圖5。

(a)爆口100× (b)爆口500×

(a)內壁100× (b)外壁100×

(a)內壁100× (b)外壁100×

(a)內壁100× (b)外壁100×

從圖2中可以看出,爆口處(1號樣)的金相組織為回火馬氏體,該組織中的馬氏體板條位向已嚴重分散,板條內碳化物減少,板條和晶界碳化物呈顆粒狀,球化分布,老化4級;2號樣的金相組織為回火馬氏體,馬氏體板條位向明顯分散,板條內分布的碳化物減少,尺寸粗化,晶界碳化物析出較多,老化3級;3號樣的金相組織為回火馬氏體,馬氏體板條位向已嚴重分散,老化4級,內壁氧化皮厚度約235 μm,外壁氧化皮厚度約為71 μm;4號樣的金相組織為回火馬氏體,馬氏體板條位向明顯分散,晶界碳化物析出較多,老化4級,內壁氧化皮厚度約141 μm,外壁氧化皮厚度約為188 μm。

1.3 化學成分分析

SA213-T91鋼中的C、P、S等元素的含量較低,合金元素的作用主要為了提高鋼的抗氧化性和固溶強化作用。使用全定量光譜儀對管樣(爆口兩側,分別編號為1號和2號)的化學成分進行檢測分析,檢測結果見表2所示,從表中可以看出,管樣的化學成分含量均在標準規定的范圍。

表2 SA213-T91管的化學成分 單位：%

1.4 硬度檢驗

依據硬度檢驗標準[9],采用HBE-3000A型布氏硬度計在對試樣紅色方框點處(見圖1所示)進行硬度試驗(試樣均金相試樣表面,從而保證了檢測面的平整度和光潔度),試驗條件:負荷187.5 kgf、鋼球直徑2.5 mm、負荷保持時間15 s,每組試樣測試三次硬度值,最后取平均值,試驗結果見表3和圖5。

表3 試樣的硬度值

從表3和圖6中的試驗數據可以知道,整根管子的硬度值均低于標準中對T91鋼制管的要求值。

圖6 管樣測點位置硬度值

1.5 力學性能檢驗

按標準GB/T 228.1—2021的要求[10]沿管樣縱向制備標準拉伸試樣三件(均為矩形橫截面比例的b0=12.5 mm型加工試樣)來進行室溫拉伸試驗,采用深圳三思縱橫科技股份有限公司的電子萬能試驗機(型號為UTM 5606)檢驗材料的拉伸性能,其拉伸性能數據見表4;受尺寸的約束,未進行室溫沖擊試驗。

表4 試樣的力學性能試驗結果

從表4中可知,試樣的抗拉強度Rm低于標準規定的范圍,斷后伸長率A符合標準的范圍,但接近標準的下限值。

2 泄漏原因分析

從上述試驗結果可以看出,該高溫過熱器管樣的爆口表面脹粗明顯,張口很大且呈喇叭狀,管壁減薄嚴重,外徑蠕變應變率均高于1.2%;其金相組織為回火馬氏體組織,但管組織存在一定程度的老化,其中爆口處的組織老化更為嚴重,晶界碳化物析出較多,老化程度為4級,管的內外壁均含有一定量的氧化皮,氧化皮厚度在100 μm～300 μm;從化學成分來看,管樣的化學成分符合標準規定;從硬度值來看,管樣的硬度值均低于標準規定的下限值,其抗拉強度也低于標準值。

爆口處為彎管處,且管內壁存在有氧化皮層,當運行參數控制不當時會造成氧化皮脫落,該處會存在氧化皮堆積的情況,氧化皮堆積會影響管子的傳熱效果,造成管樣長時間處于超溫情況,組織出現老化,管樣超溫還會進一步加速氧化皮的生成,循環下來,引起材質的持續惡化;管子長時間過熱會造成組織老化情況,使得管樣的硬度值和強度值均下降。同時彎管處管本身就存在有一彎曲應力作用,在上述因素的共同作用下,最終因管壁的強度值不足以支撐內部的壓力時,發生失效[6,11,12]。

3 對策與建議

基于該高溫過熱器管發生的泄漏失效,建議:(1)對外徑蠕變應變率均高于1.2%的管屏,應及時更換;(2)在檢修期間,適當增加過熱器的壁溫測點,使得鍋爐運行過程中能夠及時掌握管屏的溫度分布,為運行控制提供依據,避免長時超溫運行,影響鍋爐安全運行;(3)對于運行過程中存在超溫的管屏,及時記錄下來,在機組檢修期間采用割管金相檢驗分析其金相組織、硬度值及內壁氧化皮厚度;(4)停爐檢修期間采用射線法檢測過熱器彎頭氧化皮的堆積情況,對氧化皮堆積嚴重的管樣應進行割管清理。