某電廠鍋爐過熱器異種鋼接頭爆管案例分析

陳俊彬

（福建省鴻山熱電有限責(zé)任公司， 福建 泉州 362712）

引言

在超臨界火力發(fā)電機(jī)組鍋爐中，大量存在著異種鋼管子對接接頭。異種鋼接頭是鍋爐管道中的薄弱點(diǎn)，運(yùn)行中容易破壞，尤其是SA-213 T91和SA-213 TP347H這兩種材料組成的異種鋼接頭，由于應(yīng)用的溫度和壓力很高，長期運(yùn)行往往容易產(chǎn)生破壞。

1 事故經(jīng)過

某電廠2臺(tái)600 MW鍋爐系哈爾濱鍋爐廠制造，其末級過熱器采用規(guī)格為Φ44.5 mm×8.5 mm的鋼管，入口側(cè)材質(zhì)為SA-213 T91，出口側(cè)材質(zhì)為SA-213 TP347H。在出口側(cè)靠頂棚下方，采用T91/TP347H異種鋼接頭進(jìn)行過渡，將受熱面管子引入過熱器出口小集箱（T91管位于焊縫上方，TP347H管位于下方）[1]。2017年，2號鍋爐末級過熱器左數(shù)第15屏、外數(shù)第2根管出口段異種鋼接頭發(fā)生爆管，并造成附近5根末級過熱器管子吹損泄漏。對泄漏異種鋼接頭檢驗(yàn)分析如下。

2 泄漏樣管檢測

2.1 宏觀檢查

送檢末級過熱器爆管管樣的宏觀形貌如圖1所示，送檢管段T91側(cè)母材有塑性變形和脹粗現(xiàn)象，管壁無明顯減薄，內(nèi)外壁有縱向裂紋。TP347H側(cè)母材無明顯塑性變形和脹粗現(xiàn)象。管子在T91母材與焊縫的熔合線處沿管徑橫向斷裂，斷口平齊，具有脆性斷口特征[2]。

2.2 化學(xué)成分分析

對泄漏段母材取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。分析結(jié)果表明，受檢管樣TP347H和T91母材的化學(xué)成分均符合ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范2010版的技術(shù)要求。

圖1 末級過熱器管爆管宏觀形貌

表1 受檢末級過熱器管母材的化學(xué)成分（wt%）

2.3 硬度測試

對送檢末級過熱器管進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，T91側(cè)母材布氏硬度約為202 HBW，TP347H母材的硬度約為175 HBW，符合ASME標(biāo)準(zhǔn)和DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求，焊縫處的布氏硬度約為200 HBW，符合DL/T 752—2010《火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程》的要求。

2.4 金相檢查

金相試驗(yàn)浸蝕劑為FeCl3鹽酸水溶液。金相試樣在金相顯微鏡下觀察并拍照，檢驗(yàn)結(jié)果見下頁圖2-圖5所示，焊接接頭T91母材的金相組織為回火馬氏體，TP347H母材的金相組織為奧氏體，母材金相組織均正常。焊縫金屬的金相組織沒有裂紋，沒有過熱組織，沒有淬硬的馬氏體組織，金相組織正常。

2.5 檢測結(jié)果分析

1）宏觀檢查的結(jié)果表明，該斷口具有典型的熱疲勞斷口特征，并且具有長時(shí)過熱特征。

圖2 T91母材橫截面的金相組織

圖3 斷口處T91母材橫截面金相組織

圖4 焊縫金屬的金相組織

圖5 TP347H母材的金相組織

2）化學(xué)成分分析結(jié)果表明，送檢末級過熱器管T 91和TP 347H母材的化學(xué)成分均符合ASME的標(biāo)準(zhǔn)要求。T 91和TP 347H母材的布氏硬度符合ASME標(biāo)準(zhǔn)和DL/T 438—2016規(guī)程的要求，焊縫處的布氏硬度滿足DL/T 752—2010的要求。

3）金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，送檢管段母材和焊縫的金相組織均正常，但已經(jīng)達(dá)到中度老化程度。

3 破壞機(jī)理分析

由于該異種鋼接頭的焊材采用奧氏體焊材，T 91母材和焊縫金屬之間的化學(xué)成分、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)相差較大，因此T 91母材和焊縫金屬的熔合區(qū)存在界面突變，在承受熱循環(huán)影響時(shí)將會(huì)在該區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；其次，該末級過熱器已服役超過4萬h，已達(dá)到TP 347H和T 91異種鋼焊接接頭早期失效的發(fā)生時(shí)間。同時(shí)，由于末級過熱器管的自重和管屏晃動(dòng)以及熱膨脹受阻都會(huì)使異種鋼焊接接頭位置產(chǎn)生較大附加應(yīng)力，因此，在熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的長期作用下，焊接接頭T 91側(cè)熔合線處極易生成疲勞裂紋源，裂紋源擴(kuò)展穿透管壁，并最終導(dǎo)致管子斷裂。

4 解決對策

由于該異種鋼接頭位于爐膛內(nèi)，周圍煙氣溫度高達(dá)1 000℃，而且波動(dòng)很大，會(huì)在異種鋼接頭兩側(cè)形成巨大的交變應(yīng)力，高溫還會(huì)加速金屬老化和降低金屬強(qiáng)度，如果將該異種鋼接頭移位至頂棚內(nèi)部，則環(huán)境溫度下降至500℃左右，并且波動(dòng)很小，大大降低了異種鋼接頭承受的交變應(yīng)力，能夠有效延長其使用壽命。2017年該公司結(jié)合機(jī)組檢修將該異種鋼接頭移位至頂棚內(nèi)部，之后再未發(fā)生異種鋼接頭斷裂的情況。