2000t/h超超临界锅炉末级过热器爆管原因分析

2000t/h超超临界锅炉末级过热器爆管原因分析

国投宣城发电有限责任公司 陈学进 国网安徽省电力公司电力科学研究院 王若民

本文对某公司锅炉末级过热器管爆漏失效进行原因分析。结果表明，末级过热器管爆口处金相组织劣化，检查排除该管短时超温爆管，该管金相组织劣化的直接原因可能是使用前被非正常加热。

末级过热器；金相组织劣化；非正常加热

某公司#2锅炉为HG-2000/26.15-YM3超超临界参数变压运行直流炉，锅炉为单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、四墙切圆燃烧、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型布置。2015年5月30日锅炉首次点火，2015年6月6日#2 发电机首次并网成功，6月13日发现末级过热器泄漏，泄漏时锅炉负荷592MW，主汽温度578℃、主汽压力23.35MPa。停炉后检查确认末级过热器左数第34排、自外圈数起第4圈管（以下简称“34-4”）入口段下部炉前侧弯头爆管，至爆管时锅炉累计运行时间260小时。锅炉末级过热器共56排，每排15圈管，末级过热器出口设计压力26.15MPa 、设计温度605℃。泄漏管段材料SA-213 S30432，规格φ51×9mm，弯头弯曲半径R=200mm，弯曲角度90°。

图1：爆管宏观形貌

本文通过对末过泄漏管、备品样管、锅炉厂生产余料样管进行了外观、理化、力学性能检验和分析，给出了爆管原因。

1 试验检查

1.1 宏观检查及几何尺寸测量。爆漏管宏观形貌如图1所示，爆口位于弯头最大弯曲半径的外弧面，呈喇叭状，沿管子轴向开裂，爆口长约152mm、最宽处约38mm，弯头外弧侧最小壁厚7.0mm、内弧侧最大壁厚9.7mm。爆口边缘钝化，壁厚无明显减薄，无明显塑性变形，为脆性爆口。爆口附近外壁无异常氧化，无纵向宏观裂纹，内壁光滑无明显氧化皮。根据爆口两侧边缘形状判断爆口处有小块金属崩掉。对末过34-4管段进行胀粗测量，沿爆口上、下端每隔100mm测量1点、共测9点，除爆口处因开裂变粗外（管径62.43mm），管子无明显胀粗（管径在51.08～51.43mm）。

1.2 化学成分分析。对末过泄漏管、S30432备品管、锅炉厂余料样管取样在SPECTRO TEST全定量光谱仪上进行化学成分分析，所有检测样管的化学成分符合ASME标准要求。

1.3 金相组织检查。分别在34-4管爆口边缘（开口最大处）、弯头内弧面（爆口对侧）、距离爆口0.6m的远端和S30432备品管、S30432锅炉厂余料样管、爆口上侧约2米处TP347H管上沿横向取样，采用FeCl3盐酸水溶液进行腐蚀，在Carl Zeiss Axio Observer金相显微镜上观察其金相组织，检查结果见表1。

管样金相组织检查可以看出：34-4管爆口裂纹边缘试样奥氏体晶界有大量的碳化物析出，且明显粗大，存在大量的裂纹和孔洞，组织已严重劣化。爆口对侧奥氏体晶界碳化物大量析出粗化，存在少量孔洞，组织劣化；远端试样组织存在一定程度的劣化，晶界处碳化物析出较多，部分区域碳化物有粗化现象。TP347H管样（爆口上侧约2米处）、S30432备品炉管和锅炉生产余料样管金相组织正常。

1.4 力学性能检测

1.4.1 拉伸试验。在爆口上、下端及S30432备品管、锅炉厂余料样管分上别截取2个拉伸试样，在三思CMT5105万能材料试验机上进行拉伸试验，检测样管RP0.2、Rm符合ASME标准要求。

1.4.2 硬度检测。分别在爆口边缘、远端和S30432备品管、锅炉厂余料样管取样，用HBE-3000A布氏硬度计进行布氏硬度检测，硬度分别为HBW171、172、163、165，符合ASME标准要求（HBW≤219）。

1.4.3 冲击试验。分别在爆口附近直管段、上下口远端和S30432备品管段上截取V型缺口试样，在JB-300C冲击试验机上进行夏比冲击试验，试验方法按《GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，样管Akv2分别为43J、58J、64J、87J。ASME标准中虽然未给出S30432的冲击吸收功标准，但试验结果表明金相组织劣化后，材料冲击吸收功也出现明显下降，尤其是爆口处材料韧性下降明显。

表1 功能故障类别

1.4.4 选取两个批次锅炉厂余料管截取试样进行晶间腐蚀试验。晶间腐蚀试验方法采用《ASTM A262-13检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度的标准实施规范》中的E法（铜-硫酸铜-16%硫酸法），每支样管取三个试样（其中一个为空白对比试样），对样品进行1小时675℃的敏化处理，之后在16%的H2SO4+CuSO4微沸溶液中加热15h后进行弯曲试验，所有检测样品均未发现晶间腐蚀裂纹。

2 试验结论和原因分析

2.1 检测结果表明泄漏管、备品管、锅炉厂余料样管化学成分和力学性能符合ASME SA-213 标准要求。备品管、锅炉厂余料样管金相组织和晶粒度良好。

2.2 弯头顶弯处存在一定的减薄现象，应主要为弯曲成型造成，还有少量爆管时的减薄效应。对于弯头，当弯管时外侧受拉应力使壁厚减薄，内侧受压应力使壁厚增厚，这是一种正常现象。

2.3 弯头爆口处无明显塑性变形，管段无明显胀粗，爆口内外壁均无异常氧化及轴向裂纹等现象，此次爆管不具备短时超温爆管的宏观特征。

2.4 末过34-4管弯头上方2米直管材料为TP347H，泄漏的弯头及炉后侧直管材料为S30432，S30432较TP347H高温性能更优，如果存在异物堵塞超温现象，TP347H材料会更易劣化。但从金相检测结果看，末过34-4管材料为S30432的下部弯头、直段金相组织均存在不同程度的劣化，而TP347H管段的金相组织正常，因此可以排除末过34-4整根管子超温的可能。

2.5 末过34-4弯头采用冷弯成型，弯曲半径R=200mm，R/D=200/51=3.92＞10/3。根据R/D 的数值，按《ASME锅炉及压力容器规范第I卷动力锅炉建造规则》PG-19：奥氏体材料的冷加工成型，该弯头可不进行固溶处理。该弯头制造过程中，制造厂未进行固溶处理，可以排除热处理工艺不当造成弯头金相组织不合格问题。

2.6 锅炉冲管后、启动前，电厂开展了锅炉清洁度专项检查：割开集箱手孔采用内窥镜检查，对所有节流孔采用射线检查，对分隔屏、后屏、末过、末再下部弯头采用磁性检查，检查结果表明部分集箱和少数节流孔前有异物，其中34-4管节流孔前、34-4管下部弯头内和分隔屏、后屏、末过进出口集箱内无异物，检查发现的其他异物均已割管清理干净。

在锅炉运行期间，由于后屏过热器第2、34屏共计5根管壁温高于锅炉厂设定值，特此制定了相应运行措施，严格控制后屏过热器管壁温和后屏过热器出口蒸汽温度。在此期间，末过出口蒸汽温度远低于锅炉设计值，也未发现末过管超温报警现象。末过34-4管未安装壁温测点，但末过34排管屏上共装有5 个壁温测点：出口管从炉后数第1、2、6、12、15 根管，锅炉运行中该管屏上述管子壁温均低于锅炉厂设计限值。

2.7 从泄漏管硬度检测结果可以看出该管弯头及直段的硬度基本一致，正常弯头处经历加工硬化，其硬度值应高于直段管子硬度，因此推测在弯头爆口附近曾实施过类似消除应力退火的加热过程，加热方向为沿弯头曲率方向。泄漏管相对备品管硬度整体偏高的原因应与该管段在使用后大量的碳化物析出有关。

根据相关文献[3]指出S30432管在650℃时效初期硬度快速升高，在500小时后达到峰值后略有下降，之后的长期时效过程中硬度保持在较高水平；冲击韧性在时效初期快速下降，之后虽有所降低但下降速度减慢。冲击试验结果表明34-4管爆口处组织劣化、韧性大幅下降，考虑锅炉仅运行260小时且不存在异物堵塞超温的情形，间接说明泄漏管材料曾经历非正常老化过程。

2.8 综合上述试验数据和分析，推断末过34-4管局部管段在锅炉服役前就存在严重的碳化物析出粗化问题，金相组织存在原始缺陷。

3 小结

3.1 末过34-4泄漏的弯头不具备短时超温爆管的宏观特征且该管TP347H管段金相组织正常，可以排除该管由于异物堵塞造成短时超温爆管。末过34-4管弯头处组织严重劣化、直管段组织也存在一定程度劣化，是导致此次爆管的主要原因。

3.2 末过34-4管金相组织劣化的直接原因应是使用前被非正常加热，如制造阶段当弯头角度发生偏差时，采用氧乙炔焰加热校正弯头角度。

3.3 对于S30432等奥氏体不锈钢管在制造、检修阶段应禁止任何随意加热过程；若制造工艺需要进行对管子加热时（如管子弯曲半径小，采用热弯工艺），必须进行固溶处理改善材料组织、性能。

[1]ASME锅炉及压力容器委员会.SA-213M-2010 锅炉、过热器和换热器用无缝钢管铁素体和奥氏体合金钢管子[S].中国石化出版社.2010

[2]ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范第I卷,动力锅炉建造规则[S].中国石化出版社.2010

[3]张玉洁等.S30432耐热钢650 ℃时效的组织和力学性能[J].材料热处理学报.2011.3：90-94