屏式過熱器“一管兩爆”原因分析及對策

袁燕明 張繼文

（汕尾電廠，廣東 汕尾 516623）

1、情況簡介

2009年9月25日，汕尾電廠1號鍋爐發(fā)生爐內(nèi)爆管。停爐后發(fā)現(xiàn)屏式過熱器第8屏前屏外往內(nèi)數(shù)第6根管（A8-6）的出口段距離頂棚約1米處有一爆口，與此同時，此管出口段靠近出口分配聯(lián)箱約100mm處的管座處亦有一爆口，兩個爆口相距約3米。

汕尾電廠1號鍋爐型式為DG1950/25.4-Ⅱ2，為東方鍋爐廠制造生產(chǎn)的超臨界本生直流爐。鍋爐的屏式過熱器布置在爐膛正上方，從爐膛的左右兩側(cè)通過屏過進口混合集箱向15屏分配集箱輸送介質(zhì)，每屏分兩路進出，進口額定溫度437℃，壓力25.9MPa，出口額定溫度為518℃，壓力25.8MPa。機組于2008年1月27日正式投入商業(yè)運行，至2009年9月25日，鍋爐累計運行14108小時，啟停11次。

2、爆口宏觀檢查情況

（1）爐膛內(nèi)爆口（爆口1）：屏過第8屏前屏外往內(nèi)數(shù)第6根管（A8-6）的出口段距離頂棚約1米。材質(zhì)：SA213-TP347H；規(guī)格：φ45×10.8。T347H爆管的宏觀形貌（如圖2）：

1）爆口處呈塑性薄唇狀張開，開口很大，幾乎呈十字狀，爆口尺寸180×100mm。

圖1 屏式過熱器結(jié)構(gòu)圖

2）爆口處管子周長變化很大，管壁塑性變形嚴重。

3）爆口處外側(cè)不存在明顯的氧化皮，也沒有與主裂紋平行的微小裂紋。

圖2 T347H爆口宏觀形貌

圖3 T91爆口宏觀形貌

4）管壁厚度由焊口至爆口逐漸減薄。

（2）爐外大罩內(nèi)爆口（爆口2）：屏過A8-6管與出口分配集箱相連的管座距離聯(lián)箱100mm處，材質(zhì) SA213-T91；規(guī)格：φ45×10.8。

T91爆口宏觀形貌（如圖3）：1）爆口處裂紋呈脆性唇狀張開，開口不大，爆口尺寸約為40mm×4mm。2）爆口處管子周長變化不大，管壁幾乎沒有減薄。3）爆口處外側(cè)存在較厚的氧化皮。4）爆口周圍有與主裂紋平行的縱向成束裂紋群。

（3）對爆口所在的屏過進口分配集箱進行內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)集箱內(nèi)有環(huán)狀異物，周長106；直徑34；材質(zhì)為：P12；基本可以判定為低溫過熱器出口集箱管控加工時殘留的鐵屑。對第8屏前屏受熱面的下彎頭 A8-1、A8-2、A8-3、A8-4、A8-10、A8-14射線檢查，未發(fā)現(xiàn)有異物或氧化皮堆積的信號。

3、爆口試驗分析

測量位置 ① ② ③ ④ ⑤ 平均值TP347H爆口處 151 145 141 143 147 145 TP347H爆口背面 178 181 175 179 180 178 T91爆口處 132 129 136 131 134 132備注：硬度測量選用布氏硬度（HB）

（1）對爆口附近管子進行硬度檢查，具體結(jié)果如下（表1）：（2）材料的化學成分。從材質(zhì)為TP347H、SA-213T91的爆管上分別割取長約10*10mm2的小塊樣品，并打磨出一個小平面進行化學成分分析，具體結(jié)果如下表所示。

從表2可以看出，材質(zhì)為T347H的屏式過熱器管，各元素含量在標準值范圍內(nèi)；從表3可出SA-213T91管除N元素含量為零，低于標準值外，其它各元素含量在標準值范圍內(nèi)。

（3）金相組織分析

從TP347H和T91管上分別切取基體樣品和爆口區(qū)樣品作為金相分析用試樣。對試樣的橫截面進行機械研磨、拋光后，用王水浸蝕，將制備好的金相試樣于金相顯微鏡下進行組織觀察與評定。

表2 TP347H屏式過熱器管的化學成分分析結(jié)果

表3 T91屏式過熱器管的化學成分分析結(jié)果

1）TP347H的金相組織。由圖4可以看出，基體夾雜物為顆粒狀，沒有帶狀夾雜物。夾雜物等級為1級。從圖5可看出，TP347H管的金相組織為奧氏體+大量晶界析出物+少量晶內(nèi)析出物。與此同時，對同批次沒有使用的原始管件進行微觀組織分析，未發(fā)現(xiàn)有大量的晶界析出物。同圖5的基體組織相比，圖6的晶粒有一定程度的變形拉長，同時組織中有大量的類似孔洞的黑色組織，特別是靠近爆口處這種黑色組織更加明顯。觀察管件爆口處的宏觀形貌可

圖4 TP347H管基體的夾雜物形貌（拋光態(tài)）500X

圖5 TP347H管基體的金相組織（王水浸蝕）500X

以看到，爆口處變形很大，徑向明顯變粗很多，因此爆口處橫向（徑向）微觀組織上的晶粒變形拉長與其宏觀變形的特征是一致的。

同圖6相比，圖7中晶粒變形不明顯，但組織中同樣有大量的類似孔洞的黑色組織，特別是靠近爆口處這種黑色組織更加明顯。觀察管件爆口處的宏觀形貌可以看到，爆口處雖然變形很大，但主要體現(xiàn)在徑向，軸向變形不是很大，因此爆口處微觀組織在縱向晶粒變形不明顯。

圖6 遠離爆口邊緣金相組織 500X

圖7 遠離爆口邊緣金相組織 500X

2）T91管的金相組織分析。從圖8可看出，A8-6爆管遠離爆口的基體的金相組織回火索氏體，老化等級為2級，為等軸晶。從圖9可以看出，靠近爆口的基體的金相組織鐵素體+粒狀碳化物，老化等級達4級，晶粒被明顯拉長，并且裂紋前端的晶界有被氧化的痕跡。

3)疑難組織的SEM觀察和能譜成分分析

對于TP347爆口處大量的類似孔洞的黑色組織，在金相顯微鏡下對其凹凸特征分辨不清，為進一步確定其孔洞的特征，我們對其進行了掃描電鏡觀察與分析。同時，基體組織中大量晶界析出物組織也不符合常規(guī)，因此也對其進行了掃描電鏡觀察與分析。圖10為爆口處組織的低倍SEM形貌，圖中左側(cè)為爆口邊緣。圖11為圖10中左側(cè)爆口區(qū)的局部放大?？梢娊鹣囡@微鏡下看到的黑色區(qū)域在掃描低電鏡下觀察時為明顯的孔洞，說明金相顯微鏡下看到的黑色區(qū)域確實為高溫應力條件下運行形成的蠕變孔洞。

圖8 靠近爆口附近基體的金相組織500X

圖9 爆口裂紋尖端的金相組織 500X

4、爆管原因分析。

（1）T91管材化學元素分析中N含量為0，而N元素為T91中的重要元素，N元素的缺少導致了管子強度的減小，其高溫性能降低，容易使其成為超溫爆管的薄弱環(huán)節(jié)。（2）從爆口1處形成的大量蠕變孔洞可以初步判斷，TP347H管發(fā)生爆管的主要原因是長時高溫過熱引起的蠕變開裂。不過TP347H爆管的宏觀形貌觀察中并沒有在爆口處發(fā)現(xiàn)明顯的氧化皮，而爆口處明顯的氧化現(xiàn)象是通常的長時高溫過熱的典型宏觀特征。因此，此次爆管有其一定的特殊性。（3）按照目前爆口1看到的微觀組織和晶界析出物的程度，材料的老化等級已經(jīng)達到5級。通過對同批次管材金相組織的分析對比，晶界析出物的形成是應該是由于運行時的高溫過熱造成的老化組織，與爆管是由于長時高溫過熱引起的蠕變開裂的結(jié)論是一致的。（4）從焊口前后對比觀察，從焊口至爆口是逐漸減薄，說明爆口1管子的減薄是超溫過熱后蠕脹引起。（5）從爆口2宏觀形貌特征可知，爆口處裂紋呈脆性唇狀張開，開口不大；爆口處管子周長變化不大，管壁幾乎沒有減??；爆口處外側(cè)存在較厚的氧化皮及平行的縱向成束裂紋群。結(jié)合微觀組織上爆口處組織老化嚴重的特征，認為爆口2屬長時高溫過熱造成，過熱溫度低于相變點，但時間較長。（6）分析認為爆口2發(fā)生泄漏前，受到由于蒸汽壓力聚變所產(chǎn)生的沖擊力，此沖擊力與及作用位置與當時工況及所處位置有關(guān)。

圖10 爆口處的低倍形貌（左側(cè)為爆口邊緣）75X

圖11 圖10左側(cè)爆口區(qū)的局部放大 2000x

綜上所述，A8-6管發(fā)生“一管兩爆”，判斷為爐內(nèi)TP347H先爆漏再引發(fā)T91泄漏，原因及過程如下：異物進入A8屏過進口分配集箱內(nèi)，堵塞屏過進口管管孔，管內(nèi)蒸汽流量減少，首先在對應管A8的出口T91管段長期超溫（超過T91的極限使用溫度620℃，低于TP347H的極限使用溫度650℃），力學性能下降。由于A8-6管孔進口處異物未固定，隨機狀態(tài)；當異物堵塞在某一位置時，A8-6蒸汽流量大大減少，導致爐內(nèi)TP347H超溫，在爐內(nèi)出口管段首先爆漏。TP347H爆漏處，蒸汽壓力急劇下降為0；同時泄漏點至屏過出口分配集箱管內(nèi)蒸汽倒流。出口段蒸汽壓力變化迅速，同時流體的慣性，管內(nèi)壓力發(fā)生劇烈波動，形成水錘沖擊，再加上T91管因長期過熱造成機械性能下降，在A8－6管座出口處（倒流后變?yōu)檎羝隹冢╅_裂。

5、處理措施

（1）更換爆漏的管子，待機組停機檢修時，全面檢查屏過進口、高過進口及高再進口集箱的內(nèi)部清潔度，盡可能避免此類事故再次發(fā)生。

（2）T91成分與標準不符，機組檢修時，對大罩內(nèi)所有的T91管座、彎頭進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)有發(fā)藍的進行硬度檢查，將硬度值不符合要求的管子全部更換。

（3）做好超溫記錄分析，發(fā)現(xiàn)異常，及時做好檢查處理措施。

[1]王孟浩等.《電廠1000t/h直流鍋爐高溫過熱其超溫爆管的試驗分析》.《鍋爐技術(shù)》,1987.

[2]楊建菊等.《屏式過熱器爆管原因分析》.《熱力發(fā)電》，2007.