某电厂锅炉过热器异种钢接头爆管案例分析

陈俊彬

（福建省鸿山热电有限责任公司， 福建 泉州 362712）

引言

在超临界火力发电机组锅炉中，大量存在着异种钢管子对接接头。异种钢接头是锅炉管道中的薄弱点，运行中容易破坏，尤其是SA-213 T91和SA-213 TP347H这两种材料组成的异种钢接头，由于应用的温度和压力很高，长期运行往往容易产生破坏。

1 事故经过

某电厂2台600 MW锅炉系哈尔滨锅炉厂制造，其末级过热器采用规格为Φ44.5 mm×8.5 mm的钢管，入口侧材质为SA-213 T91，出口侧材质为SA-213 TP347H。在出口侧靠顶棚下方，采用T91/TP347H异种钢接头进行过渡，将受热面管子引入过热器出口小集箱（T91管位于焊缝上方，TP347H管位于下方）[1]。2017年，2号锅炉末级过热器左数第15屏、外数第2根管出口段异种钢接头发生爆管，并造成附近5根末级过热器管子吹损泄漏。对泄漏异种钢接头检验分析如下。

2 泄漏样管检测

2.1 宏观检查

送检末级过热器爆管管样的宏观形貌如图1所示，送检管段T91侧母材有塑性变形和胀粗现象，管壁无明显减薄，内外壁有纵向裂纹。TP347H侧母材无明显塑性变形和胀粗现象。管子在T91母材与焊缝的熔合线处沿管径横向断裂，断口平齐，具有脆性断口特征[2]。

2.2 化学成分分析

对泄漏段母材取样进行化学成分分析，结果如表1所示。分析结果表明，受检管样TP347H和T91母材的化学成分均符合ASME锅炉及压力容器规范2010版的技术要求。

图1 末级过热器管爆管宏观形貌

表1 受检末级过热器管母材的化学成分（wt%）

2.3 硬度测试

对送检末级过热器管进行布氏硬度试验，T91侧母材布氏硬度约为202 HBW，TP347H母材的硬度约为175 HBW，符合ASME标准和DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》的要求，焊缝处的布氏硬度约为200 HBW，符合DL/T 752—2010《火力发电厂异种钢焊接技术规程》的要求。

2.4 金相检查

金相试验浸蚀剂为FeCl3盐酸水溶液。金相试样在金相显微镜下观察并拍照，检验结果见下页图2-图5所示，焊接接头T91母材的金相组织为回火马氏体，TP347H母材的金相组织为奥氏体，母材金相组织均正常。焊缝金属的金相组织没有裂纹，没有过热组织，没有淬硬的马氏体组织，金相组织正常。

2.5 检测结果分析

1）宏观检查的结果表明，该断口具有典型的热疲劳断口特征，并且具有长时过热特征。

图2 T91母材横截面的金相组织

图3 断口处T91母材横截面金相组织

图4 焊缝金属的金相组织

图5 TP347H母材的金相组织

2）化学成分分析结果表明，送检末级过热器管T 91和TP 347H母材的化学成分均符合ASME的标准要求。T 91和TP 347H母材的布氏硬度符合ASME标准和DL/T 438—2016规程的要求，焊缝处的布氏硬度满足DL/T 752—2010的要求。

3）金相检验结果表明，送检管段母材和焊缝的金相组织均正常，但已经达到中度老化程度。

3 破坏机理分析

由于该异种钢接头的焊材采用奥氏体焊材，T 91母材和焊缝金属之间的化学成分、导热系数和热膨胀系数相差较大，因此T 91母材和焊缝金属的熔合区存在界面突变，在承受热循环影响时将会在该区域产生较大的热应力；其次，该末级过热器已服役超过4万h，已达到TP 347H和T 91异种钢焊接接头早期失效的发生时间。同时，由于末级过热器管的自重和管屏晃动以及热膨胀受阻都会使异种钢焊接接头位置产生较大附加应力，因此，在热应力和结构应力的长期作用下，焊接接头T 91侧熔合线处极易生成疲劳裂纹源，裂纹源扩展穿透管壁，并最终导致管子断裂。

4 解决对策

由于该异种钢接头位于炉膛内，周围烟气温度高达1 000℃，而且波动很大，会在异种钢接头两侧形成巨大的交变应力，高温还会加速金属老化和降低金属强度，如果将该异种钢接头移位至顶棚内部，则环境温度下降至500℃左右，并且波动很小，大大降低了异种钢接头承受的交变应力，能够有效延长其使用寿命。2017年该公司结合机组检修将该异种钢接头移位至顶棚内部，之后再未发生异种钢接头断裂的情况。