钢102材料运行后的组织性能变化及原因分析

楼玉民，杨点中，胡洁梓

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

从2006年起，浙江省各发电厂发生了十几起钢102材料（2Cr2MoWVTiB steel）受热面爆管的事故，主要集中在末级再热器等高温受热面管。本文就钢102材料运行后的组织性能变化和爆管原因作统计分析。

1 钢102材料设计和控制壁温

钢102材料在各类机组中的设计壁温和控制壁温不尽相同。末级过热器（包括末级过热器、二级过热器、高温和对流过热器）和末级再热器（包括末级再热器和高温再热器），其设计壁温在570～600℃，控制壁温在560～580℃。屏式过热器（包括大屏过热器、后屏过热器）和屏式再热器，其设计壁温在547～600℃，控制壁温在515～548℃。过热爆管多发生在壁温较高的部位。

2 运行后材料力学性能和金相组织变化

各发电厂割管试样情况表明，钢102材料受热面管运行后其组织性能将发生变化，并具有明显特征。

2.1 常温力学性能

对不同运行时间、不同部位的管段常温机械性能试验结果表明：

（1）原始管子机械性能有明显差别，说明管子原材料的性能不完全一致。

（2）运行管子实测数据有一定的分散性，这与不同管屏、管子向火侧、背火侧性能差别有关，运行10万小时后，个别管子强度接近或略低于540 MPa的下限值。

（3）与原始管相比，长期运行后的管材常温强度指标有所下降。从变化趋势上看，在运行6万小时、10万小时后，其强度性能有明显变化。

2.2 高温力学性能

以嘉兴发电厂为试验对象，原始备品管的高温（626℃）拉伸性能为：屈服强度330.2 MPa、抗拉强度368.6 MPa和断面收缩率74.9%。

相对于原始备品管的力学性能，服役炉管高温力学性能均表现出不同程度的退化现象，主要表现为屈服强度与抗拉强度下降，而断面收缩率变化不明显。运行10万小时后，部分管子强度下降超过初始值的10%。

2.3 金相组织变化规律

随着运行时间的延长，金相组织材料逐渐老化，主要表现为贝氏体中碳化物的析出和长大，并逐渐在晶界聚集。

对运行6万小时、10万小时、18万小时的试样进行观察，结果如图1—3所示，金相组织的变化主要是碳化物的聚集长大。运行6万小时后，钢中碳化物数量明显增加，少量碳化物颗粒长大，贝氏体形貌逐渐趋于消失。10万小时后，碳化物数量逐渐减少，颗粒逐渐长大。主要是由于邻近的数个颗粒聚集长大成为一体，成长为大颗粒，M23C6相逐渐连接成串，向晶界聚集。到了18万小时，碳化物数量减少，颗粒粗大，向晶界聚集。

图1 原材料典型金相组织

图2 运行10万小时后金相组织

图3 运行18万小时后金相组织

3 内壁氧化皮厚度和当量计算壁温

3.1 内壁氧化皮厚度

对内壁氧化皮的测量统计显示，同一标高部位，各屏管子内壁氧化皮厚度的差别明显，壁温越高氧化皮越厚，与对应炉顶小室的实测壁温基本吻合。

例如，钱清发电厂2号机组对流过热器管在距离下弯头约1.4 m高处的炉后侧出口直管段，最大氧化皮厚度0.46 mm，最小氧化皮厚度0.19 mm，平均氧化皮厚度0.26 mm。嘉兴发电厂2号机组末级过热器离进口段下弯头1.5 m处的直管，内壁氧化皮平均厚度为0.45 mm，最大厚度为0.54 mm。离出口段下弯头上2.5 m处，内壁氧化皮平均厚度为0.48 mm，最大值为0.60 mm。顶棚下约2.2 m处，内壁氧化皮平均厚度为0.50 mm，最大值为0.58 mm。

3.2 爆管后的内壁氧化皮厚度与当量计算壁温的关系

当量金属温度可以按照Laborelec经验公式计算，即：

式中：T为当量金属温度；x为管子内壁氧化层厚度；t为管子已运行时间；a和b为特定材料常数。

镇海发电厂3号机组高温过热器运行18万余小时后爆管，爆口内壁氧化皮厚度约0.65 mm，当量计算壁温为595℃；4号机组高温过热器运行16万小时后割管，内壁氧化皮最厚处为0.54 mm，当量计算壁温为588℃。温州发电厂3号机组2010年7月末级过热器爆管，爆口内壁氧化皮厚约0.50 mm，当量计算壁温607℃；4号机组2010年4月末级过热器爆管，爆口内壁氧化皮厚约0.45 mm，当量计算壁温602℃。萧山发电厂1号机组运行12万小时后，内壁氧化皮最厚处为0.62 mm，当量计算壁温为614℃。钱清发电厂1号机组运行7.9万小时，内壁氧化皮最厚处为0.47 mm，当量计算壁温608℃。钱清发电厂2号机组运行5.4万小时，内壁氧化皮最厚处为0.46 mm，当量计算壁温621℃。

4 钢102材料过热爆管宏观和微观特征

4.1 爆口宏观形貌

爆口有明显的胀粗现象，如图4所示，爆口断裂面粗糙、不平整，边缘粗钝。爆口附近有众多平行于爆口的轴向裂纹；爆口外表面氧化层较厚，已剥落；爆口附近管径未见明显的塑性变形和胀粗现象。

图4 爆口典型形貌

4.2 爆口附近金相组织

爆口尖端存在蠕变裂纹和孔洞，晶粒有变形拉长现象，如图5所示。爆口附近内壁的氧化皮厚度约0.45～0.60 mm。爆口附近金相组织中贝氏体形貌基本消失，碳化物颗粒粗大，大部分碳化物沿铁素体晶界分布，部分呈链状，如图6所示。

图5 爆口附近的蠕变裂纹

图6 爆管母材典型金相组织

5 运行后的组织性能变化和爆管原因分析

（1）氧化皮的厚度和形成速度、力学性能下降程度、金相组织老化程度和速度等，均与壁温及运行时间直接相关。

（2）炉顶小室内壁温度与炉内管壁实际温度有差别，但能大致反应炉内壁温情况。炉内管壁实际温度与炉内燃烧工况及空气动力场直接相关。

（3）近几年发生的钢102材料高温受热面管爆管均为长时间过热引起，与内壁氧化皮的脱落直接相关，氧化皮堆积会造成管子堵塞，从而引起管子壁温迅速上升。

（4）氧化皮的脱落主要与启/停炉的速度、运行方式、减温水投用方式等相关。统计分析显示，微油点火燃烧方式、减温器的失效和减温水的异常投用均会加快氧化皮的脱落。

6 建议

（1）对高温受热面管增加壁温测点，尤其高温区域更需严格控制壁温。

（2）改善燃烧工况、运行方式和减温水投用方式，能降低高温受热面管壁温度和减少氧化皮脱落的可能。

（3）必要时将钢102材料更换为T91材料。

（4）机组计划检修时，应加强割管检查和下弯头X射线拍片检查。

[1]王笑天.金属材料学[M].北京：机械工业出版社，1991.

[2]蔡文河，严苏星.电站重要金属部件的失效及其监督[M].北京：中国电力出版社，2009.