600MW超临界机组屏式过热器管爆管分析

白 佳

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

600MW超临界机组屏式过热器管爆管分析

白 佳

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

通过对爆管样品的宏观形貌分析、化学成分分析、硬度检验、金相组织检验和扫描电镜分析，对某超临界机组T91材质的屏式过热器爆管原因进行分析。结果表明，爆管试样硬度偏低，这与显微组织的变化相关。T91钢的正常供货组织应为回火马氏体，而爆管样品爆口处的金相组织显示马氏体板条位向消失，演变为铁素体和于晶界处析出的颗粒较大的碳化物。屏式过热器管超温服役，导致材料组织老化，综合力学性能下降，在高温高压蒸汽作用下发生失效，造成泄漏。

超临界锅炉； 屏式过热器； T91钢； 爆管

0 引言

T91钢是9Cr-1Mo钢的改进型钢种，1983/84年被ASME/ASTM标准化，即SA213-T91。T91钢是通过降低含碳量，添加微量的铌与钒，利用微合金化，采用控轧控冷工艺制造的新型马氏体耐热钢。这种钢由于降低了C、S和P等杂质的含量，使焊接裂纹的敏感性明显降低，焊接性能显著提高。T91钢由于其良好的抗蠕变、抗疲劳、抗高温氧化与腐蚀性能等特性，成为目前我国超临界发电机组的常用材料之一[1]。

1 事故概述

某电站#2锅炉为600MW国产超临界“W”型火焰锅炉，采用一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、π型布置、露天布置，于2013年11月1日正式投入运行，过热蒸汽出口压力为25.5 MPa，出口温度为571℃。2014年1月22日机组停运后，于1月28日对锅炉受热面进行检查时发现，屏式过热器管发生泄漏，泄漏位置位于屏式过热器管屏，由A侧至B侧第11屏，由前至后第1根管子弯头下方竖直段，泄漏管材质为T91，规格为Φ38×9mm。本文通过对爆管样品进行微观组织分析，得出导致泄漏的原因。

2 试验结果与分析

截取爆管样品进行化学分析、宏观形貌分析、硬度试验、光学金相分析及扫描电镜（SEM）形貌分析，并分别在爆口处爆口侧、爆口背侧及爆口远端（距爆口约10cm处）选取试样进行检验分析。

2.1 化学成分分析

依据GB/T223系列标准方法对管样进行化学成分分析，结果见表1。从表中结果可以看出，管样主要化学成分符合ASME SA213-2013和GB 5310-2008标准要求。

表1 化学成分分析结果（质量分数，%）Tab.1 Results of chemical composition analysis(wt%)

2.2 宏观形貌分析

对屏式过热器爆管进行宏观观察，爆口沿纵向开裂，爆口长度约12mm，最宽处约0.5mm。爆口边缘呈钝边，断裂面粗糙不平整，附近有大量纵向平行的树皮状裂纹。管件在爆口位置有明显胀粗，胀粗部位最大直径为51mm；爆口两侧存在壁厚减薄，最薄处壁厚约为2.81mm。爆口处及爆口背侧宏观形貌如图1所示。沿纵向将管件剖开后发现，爆口侧的内表面可见多条轴向裂纹，爆口背侧内表面未发现在外表面看到的纵向裂纹，且内表面均无结垢。爆口的宏观形貌具有较典型的过热开裂特征。

2.3 硬度检验

依据GB/T231.1-2009标准方法对管样进行硬度试验。布氏硬度试验结果见表2。硬度试验结果表明，管样在爆口处及距离爆口10cm处的布氏硬度值均低于ASME SA213-2013标准中布氏硬度要求范围的下限值（190 HBW），其中爆口处的硬度最低。

图1 管段爆口宏观形貌Fig.1 The macroscopic morphology of the leaked tube

表2 布氏硬度试验结果（HBW）Tab.2 Results of brinell hardness test(HBW)

2.4 金相组织检验

使用Leica DM 2500M型金相显微镜对爆管样品进行金相组织检验。图2为爆管管样爆口侧及爆口背侧的显微组织形貌。观察可知，爆管管样爆口处的金相组织为铁素体基体和于晶界处析出的颗粒较大的碳化物。T91钢的交货态组织为回火马氏体，在板条状的马氏体基体上形成许多细小的亚晶，细小弥散的碳化物分布在板条界和板条中[2]。而爆管管样的显微组织中，马氏体的板条位向已完全消失，出现了等轴状晶粒。

图2 管段爆口处显微组织形貌Fig.2 The metallographic structure of the leaked tube

2.5 扫描电镜分析

使用Tescan VEGA 3 LMU型扫描电子显微镜对爆口的高倍显微组织进行观察。图3为爆口处SEM分析照片，组织为等轴状铁素体，呈现多边形块状形貌，较难观测到马氏体板条的浮凸形态。基体表面可以明显看到颗粒状析出物，且有在晶界处聚集的现象，晶界上的析出物颗粒尺寸较大。析出物颗粒偏聚于晶界，部分区域成链状特征，削弱晶界强度，降低材料的位错密度。

3 爆管原因分析

T91钢一般在正火加回火状态下供货，正常组织应为均匀的回火板条状马氏体。板条内形成亚晶粒孕育的高密度缠结的位错网络；晶间和晶界弥散分布着合金碳化物，碳化物主要是M23C6型和MC型，碳化物粒子在板条界或板条内析出，多呈短条形；固溶强化主要使用Cr元素和Mo元素。热处理获得回火板条马氏体组织结构，从而实现板条马氏体强化、界面强化、位错强化、颗粒强化和固溶强化的复合强化效应[3]。

图3 管段爆口侧SEM分析照片Fig.3 SEM image of the failed side of the leaked tube

当T91钢在过高温度下服役时，板条马氏体先发生高温回复下的碎化和长大，再发生再结晶和晶粒的长大，直到马氏体位向完全消失[2]。微观分析结果确认了爆口处发生显著的组织变化，回火板条马氏体特征消失，晶界上碳化物聚集较多且有显著粗化。

回复和再结晶造成材料位错密度下降和亚晶界减少，同时碳化物在晶界析出，尺寸较大且弥散度低，这些显微组织的变化使材料硬度降低。硬度检验结果与此吻合。

T91钢优异的高温持久强度有赖于多种强化机制的组合，而碳化物晶粒粗化使得粒子数量减少，粒子平均间距增大，阻止位错绕过的作用降低，结合显微组织的变化，从而影响T91钢的持久强度[4]，造成屏式过热器管在运行中提前失效。

结合爆口的宏观形貌，此次爆管的直接原因为超温过热导致的材料组织老化。

4 结语

屏式过热器管爆口的宏观形貌具有超温过热的特征。爆管样品的主要元素化学成分符合标准要求，硬度值低于标准要求。爆口处的显微组织显示马氏体板条形貌完全消失，金相组织为铁素体基体和于晶界处析出的粗大碳化物。板条亚结构退化为等轴晶及析出碳化物的粗化是T91钢在服役过程中持久强度降低并最终爆管的主要原因。

由于锅炉运行不当或异物堵塞等原因导致部件超温服役，在此种条件下，材料的显微组织发生变化，从而破坏了T91钢的复合强化机制带来的优异综合性能，导致材料组织和性能的劣化，进而对管材造成损伤影响。建议加强清洁度检查，排除隐患，保证机组安全运行。

[1]孙涛，徐雪霞，张晓昱，等．660MW超临界机组T91钢焊接接头断裂失效分析[J]．热加工工艺，2012，41(01)：163-164+167．Sun Tao， Xu Xuexia， Zhang Xiaoyu， et al． Fracture failure analysis on T91 steel weled joint of 660MW supercritical units[J]．Hot Working Technology，2012，41(01)：163-164+167(in Chinese)．

[2]钟万里，赵君，王伟，等．T91钢的回火工艺分析及其组织评定[J]．金属热处理，2012，37(03)：94-98．Zhong Wanli，Zhao Jun，Wang Wei，et al．Tempering process analysis and microstructure assessment of T91 steel[J]．Heat Treatment of Metals，2012，37(03)：94-98(in Chinese)．

[3]赵彦芬，张路，赵林凤，等．国产T91钢在高温受热面中的应用评价[J]．中国电力，2009，42(10)：5-11．Zhao Yanfen，Zhang Lu，Zhao Linfeng，et al．Assessment of domestic T91 steel applied on high-temperature surface[J]．Electric Power， 2009，42(10)：5-11(in Chinese)．

[4]王学，张珣，占良飞，等．T91钢组织退化行为及对高温持久强度的影响[J]．中国电机工程学报，2012，32(29)：137-142．Wang Xue，Zhang Xun，Zhan Liangfei，et al．Micresructure degradation behavior and its influence on high temperature stress rupture limit of T91 steel[J]．Proceedings of the CSEE，2012，32(29)：137-142(in Chinese)．

Burst Analysis on Platen Superheater Tube of 600MW Supercritical Units

BAI Jia
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

Theburstcauseofaplaten superheater tube of T91 steel in certain supercritical units was analyzed by macroscopicalmorphology,chemicalcomposition,hardness test,OM and SEM observation using the specimens exploded platen superheater tube.Results show a low hardness of the failed tube which is related to the microstructure transformation.The metallographic structure of T91 steel is tempered martensite,while the metallographic structure of the exploded tube doesn’t show any martensite at all.The martensite lath is evolved into ferrite and coarsen carbides precipitated at grain boundry.The overheat operation of superheater tube causes the microstructure degradation and the decrease of mechanical properties,and finally causestheleakageofplaten superheatertubeunderthe condition of high temperature and pressure steam.

supercritical units; platen superheater tube; T91 steel; burst tube

TK223.3+2

B

2095-3429（2017）05-0035-04

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.008

2017-09-27

白佳(1984-)，女，陕西榆林人，工学硕士，工程师，主要从事电站设备金属理化检验与失效分析方面的工作。