超临界670MW机组末级再热器爆管原因分析

张传清　刘天佐

【摘 要】通过对超临界670MW机组末级再热器爆管进行宏观检查、金相检验、硬度检验、机械性能检验、室温拉伸性能试验，实验结果表明：爆管段存在局部堵塞，气流不畅，使得发生堵塞的管段传热性能恶化，整根管段发生短时急剧超温，管段强度性能大幅度降低，该温度下，材质的强度不足以满足内压产生的应力，最终导致管段发生短时过热爆管。

【关键词】超临界670MW机组 再热器 爆管 分析

1 引言

某超临界670MW机组，主汽压力为25.4MPa、主汽温度为571℃、再热器管设计的压力为5.31MPa、设计温度为320/569（进/出）。该炉运行17200小时，末级再热器右数第18排外数第7管圈底部弯头迎烟侧泄漏，将泄漏处弯头T23管更换为T91。该炉换管消缺投运后21小时，末级再热器右数第18排外数第7管圈底部弯头上部500㎜直管泄漏。

2 试验内容

2.1 宏观检查

宏观照片如图1所示，第一次爆口管位置在弯头外弧侧，爆口无明显胀粗，壁厚无减薄，边缘较厚，脆断特征较明显。爆口附近管内外壁均有一层较厚且纵向平行开裂的黑褐色氧化皮。第二次爆口管爆口位置为T23+T91焊接接头之上T23管段，泄漏段（T23侧）胀粗明显，爆口张开较大，爆口长100㎜，宽160㎜，破裂尖端处呈薄刃状，爆口呈平板状，韧断特征明显。

图1 末级再热器爆管宏观照片

2.2 金相检验

取两次爆口管的爆口边缘和爆口下段进行金相检验，检验结果见图2。

第一次爆口管尖端（T23） 第一次爆口管次裂纹处（T23）

第一次爆口管次裂纹处（T23） 第二次爆口管尖端（T23）

第二次爆口管尖端（T23） 第二次爆口管向火侧氧化皮（T23）

第二次爆口管背火侧（T23） 第二次爆口管向火侧（T91）

第二次爆口管向火侧内层（T91） 第二次爆口管向火侧外层（T91）

图2 爆口管金相照片

第一次爆口管爆口处组织为铁素体+碳化物，裂纹附近组织未发生明显相变，但组织老化较严重，无原贝氏体形态特征，晶内弥散碳化物颗粒较少，晶界链状碳化物析出较多。爆管附近向火面氧化皮最大达到1.8㎜。第二次爆口管爆口处T23管向火面组织为铁素体+贝氏体+珠光体，为异常组织特征，而背火面为铁素体+碳化物。T91管外壁有混晶组织，组织为粗大的马氏体+碳化物（晶粒度为5～6级）。内层为碎化的板条马氏体+弥散的碳化物颗粒（晶粒度10～11级）。内外层晶粒级差较大，而原板条位向特征不典型，且晶内大量碳化物颗粒析出长大，晶界不清晰已发生粗化。

2.3 硬度检验

取两次爆口管的爆口边缘和爆口下段进行硬度检验，检验结果见表1。

表1 维氏硬度试验结果

管排号 试样编号

及位置 硬度（HV100） 均值（HV100）

第一次爆口管16-7（垂直段） 向火面 136.5 127.1 112.5 125.4

背火面 173.8 175.6 178.1 175.8

第一次爆口管16-7（下弯段） 向火面 138.3 145 143.7 142.3

背火面 175.8 174.5 175.8 175.4

第二次爆口管16-7 向火面 185.1 187 185.8 186.0

背火面 157.5 158.4 157.8 157.9

GB5310 07Cr2MoW2VNbB ≤HV 230

ASME SA213-2007 T23 ≤HV 230

DL/T438对T23的控制范围 HB150～220

第二次爆口管16-7（T91） 向火面 348.0 347.0 343.0 346.0

背火面 183.2 181.0 181.7 182.0

GB5310 10Cr9Mo1VNbN ≤HB250

ASME A213-2007 T91 ≤HB250

DL/T438对T91硬度控制范围 HB180～250

第一次爆管垂直段靠爆口位置的向火面硬度均值为HV100125.4，最低值达到HV100112.5，背火面硬度均值为HV100175.8；下弯管段向火面硬度为HV100142.3。第一次爆管的16-7向火面硬度显著低于DL/T438 HB150～220的要求。第二次爆管爆口管T23侧向火面硬度为HV100186，背火面硬度为HV100157.9，向火面硬度较高。T91侧向火面硬度为HV100346，背火面硬度为HV100182（HB173）。该管段T91钢的硬度出现异常，向火面、背火面硬度差异非常大，且向火面硬度明显高于DL438对T91钢上限（HB250）要求，背火面硬度低于DL438对T91钢下限（HB180）要求。

2.4 机械性能检验

取第一次爆口管远离爆口处和第二次爆口管的相邻管（T23）进行拉伸性能，检验结果见表2。

表2 室温拉伸试验结果

管排号

（MPa）

（MPa） （%）

屈强比 备注

第一次爆口管16-7 500 390 20.5 0.78 背火面试样

475 350 23.0 0.74 向火面试样

第二次爆口管16-8 495 395 19.5 0.80 向火面试样

510 395 22.5 0.77

对比管：某电厂T23原始管室温强度 575 470 23.0endprint

600 490 23.5

GB5310 07Cr2MoW2VNbB ≥510 ≥400 纵≥22

ASME SA213-2007 T23 ≥510 ≥400 ≥20

第一次爆管弯头上段向火面、背火面的室温拉伸性能已不满足GB5310以及ASME SA213对T23相应牌号钢的强度要求，尤其是向火面管样的抗拉强度已低于标准35MPa，屈服强度低于标准50MPa。第二次爆管相邻管向火面的室温拉伸性能（强度、塑性）不满足标准要求。抗拉强度低于标准15MPa，屈服强度低于标准要求5MPa。第二次爆管向火面的屈强比略高于第一次爆管向火面的值。

3 分析与讨论

3.1 第一次爆口管

第一次爆口管爆口位于弯头的外弧侧，无明显胀粗，壁厚无减薄，脆性特征较明显。爆口管内外壁氧化皮较厚，向火面外壁出现0.25㎜长的氧化裂纹，爆管附近向火面内壁氧化皮最大达到1.8㎜。有效剩余金属壁厚仅为2.3㎜。爆口管处组织未发生明显相变，但组织老化较严重，无原贝氏体形态特征，晶内弥散碳化物颗粒较少，晶界链状碳化物析出较多较大。爆口管处向火侧的硬度为HV100125.4，低于DL/T438 HB150～220的要求。爆管弯头上段向火面、背火面的室温拉伸性能已不满足GB5310以及ASME SA213对T23相应牌号钢的强度要求。图3所示：

图3 第一次爆管弯管金相环宏观照片

第一次再热器爆管附近管段的当量温度为631～613℃。结合EPRI的相关文献以及相关锅炉厂家（B&W、ALSTON等）推荐，T23用于受热面管：过热器、再热器或水冷壁的最高使用金属壁温≤580℃，结果表明该材质运行过程中存在长时超温。当量温度结果表明，取样T23管在运行过程中，存在长时过热现象。管壁在超温（大于580℃）运行过程中，易促成内、外壁氧化皮的生长加速，氧化皮生成过程中消耗了基体金属，管段的有效壁厚显著降低，使得管子环向应力逐渐增加，最终超过材质高温下的许用应力发生爆管。另外较厚的氧化皮恶化了管壁的传热性能，从而也加速该部位的爆管。

3.2 第二次爆口管

第二次爆口管泄漏段胀粗明显，爆口张开较大，爆口长100㎜，宽160㎜，破裂尖端处呈薄刃状，爆口呈平板状，韧断特征明显。爆口管（T23材质）爆管尖端为明显的相变组织。爆口处向火面组织为铁素体+贝氏体+珠光体，为异常组织特征，而背火面为铁素体+碳化物。参考T23的CCT曲线，图4所示：分析表明爆管部位运行过程超温达到相变温度点，爆管后材质随炉温的下降缓慢冷却，组织为铁素体+贝氏体+珠光体，硬度值为HV100186，说明处爆口的温度达到相变温度以上。爆口管T91钢同样存在短时超温达到相变点，内外层出现混晶特征，且向火面的硬度均值达到HV100346，出现异常较高值。均表明该部位材质严重过热。通过分析，表明该管段存在局部堵塞，气流不畅，使得发生堵塞的管段传热性能恶化，整根管段发生短时急剧超温，管段强度性能大幅度降低，该温度下，材质的强度不足以满足内压产生的应力，最终导致管段发生短时过热爆管。

图4 T23的CCT曲线

4 结语

（1）第一次爆管：T23管在运行过程中，存在长时过热现象。管壁在超温（大于580℃）运行过程中，易促成内、外壁氧化皮的生长加速，氧化皮生成过程中消耗了基体金属，管段的有效壁厚显著降低，使得管子环向应力逐渐增加，最终超过材质高温下的许用应力发生爆管。另外较厚的氧化皮恶化了管壁的传热性能，从而也加速该部位的爆管。（2）第二次爆管：爆口管段存在局部堵塞，气流不畅，使得发生堵塞的管段传热性能恶化，整根管段发生短时急剧超温，管段强度性能大幅度降低，该温度下，材质的强度不足以满足内压产生的应力，最终导致管段发生短时过热爆管。

参考文献：

[1] 杨华春，屠勇超.（超）临界机组锅炉钢管选材与国产化可行性[G].超超临界锅炉用钢及焊接技术论文集.

[2] 赵彦芬，张路.超超临界机组用新型耐热钢的现状及发展[J].世界金属导报.

作者简介：张传清（1971—），男，高级工程师，主要从事发电厂生产技术管理及研究。E-mail：zhangcq831@126.com。刘天佐（1963—），男，高级工程师，主要从事发电厂金属监督、防磨防爆管理及研究。endprint