高温过热器爆管失效分析

何 华， 吴鹏飞

（1. 中国大唐集团科学技术研究院有限公司 西北电力试验研究院，西安 710021；2. 陕西渭河发电有限公司，西安 712085）

0 引言

在煤粉锅炉事故中，受热面（过热器、再热器、水冷壁和省煤器）的爆管失效是最常见的故障，是锅炉安全运行的最大隐患。而“四管”中过热器和再热器的工况最为恶劣，再热器内的介质不仅压力低而且流速也较低，因此对热偏差非常敏感[1-4]。

高温再热器管工作温度高、运行不规范，易出现干烧、挤压、晃动等，导致高温再热器早期失效[5]。王甲安等[6]研究表明，12Cr1MoV钢制高温再热器样管运行累计123 975.5 h后，基体已出现合金元素贫化现象，碳化物弥散程度增加。胡文龙等[7]对运行 50 000 h的 12Cr1MoV 钢管进行了状态评估，管子的剩余寿命约 28 000 h。因此，结合运行工况及时间对失效管样进行分析，防止因超温超压等导致的再热器再次爆管失效，对于机组安全稳定运行至关重要。本研究对象为超过运行150 000 h的高温再热器，对爆管的管件进行分析。

电站锅炉为300 MW亚临界、中间再热、自然循环、全悬吊和平衡通风的燃煤锅炉。运行中发生高温过热器出口集箱弯头爆管，截止本次停运，累计运行时间 152 561 h，机组累计启停 100余次，期间经历5次A修（对本体部件解体检查、处理缺陷）。爆口位于再热器出口联箱B侧至A侧第7排炉侧第1根，具体位置及爆口形貌见图1、图 2。管样材质为 12Cr1MoVG，规格为 ϕ60 mm×4 mm。

图1 再热器出口联箱示意图Fig.1 Schematic diagram of the outlet header of the reheater

图2 失效管样位置及形貌Fig.2 Location and morphology of the failed sample

1 试验方法

试验对比管样为第9排炉侧第1根。力学性能试验在直管段纵向取样，金相测试在爆口处横向取样，金相、显微硬度、氧化皮测厚检测在非联箱侧距离弯头约600 mm处取样，采用机械+化学抛光，4%硝酸酒精（质量分数）浸蚀，观察金相组织，测试显微硬度（加载载荷为200 g）。

2 试验过程与结果

2.1 断口宏观观察

经现场检查测量，爆口呈窗口状，爆口附近管径最大为61.45 mm，爆口处最小壁厚为3.36 mm，爆口长约 175 mm，宽度约 60 mm（图 3）。宏观检查结果表明，泄漏管管壁厚度无明显减薄，管子未发生明显胀粗，爆口附近存在较多微裂纹，管子内外壁均存在较厚氧化皮。

图3 爆口形貌Fig.3 Burst morphology

2.2 化学成分分析

采用光谱仪对2个管样进行化学成分分析，结果见表1，可见其化学成分符合标准[8]要求。

表1 12Cr1MoVG 化学成分分析结果（质量分数 /%）Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction /%)

2.3 室温力学性能检测

参照 GB/T 228—2010[9]，对失效管样和对比管样分别制取拉伸试样进行屈服强度、抗拉强度及断后伸长率等室温拉伸性能指标试验，结果见表2。由表2可以看出，2个管样的抗拉强度、屈服强度均低于标准要求下限值，抗拉强度较标准要求下限值分别下降33.51%、32.76%，断后伸长率合格。管样拉伸性能明显下降，已不能满足设计要求。

表2 室温拉伸性能测试结果Table 2 Test results of mechanical properties at room temperature

2.4 硬度检测

对2个管样进行显微硬度试验，所测硬度值均在 GB/T 5310—2017要求（HV0.2135～195）的下限值附近，且爆口处硬度与远离爆口处硬度差异不明显（表 3）。

表3 硬度检测结果Table 3 Microhardness testing results

2.5 金相检验

图4为失效管样和对比管样的金相组织形貌，可以看出：失效管样组织中碳化物明显聚集长大呈颗粒状，链状分布在晶界上，珠光体区域及形态基本消失，珠光体球化4级，晶粒度大小为7～8级，晶粒细小均匀；对比管样组织中碳化物呈链状分布在晶界上，珠光体区域消失，珠光体球化4.5级，晶粒度7～8级，晶粒均匀。金相试验结果表明，失效管样材质老化较严重，这也是其硬度较低、力学性能下降严重的内在因素。

图4 金相组织Fig.4 Metallurgical structure

2.6 扫描电镜测试

在扫描电镜下观察失效管样金相组织形貌，如图5a所示。大量的碳化物沿晶界析出并聚集长大，尤其在三角晶界聚集着粗大不规则的碳化物，其尺寸约位2～4 μm。有研究表明，碳化物析出长大并成链状，消弱晶界强度，从而会促使晶界裂纹的形成，钢的热强性显著降低，并会出现脆性破裂[10]。三角晶界处聚集粗大的碳化物，会形成微观裂纹，宏观表现出材料的强度下降。裂纹尖端存在大量的沿晶界的二次裂纹，也说明晶界粗大的碳化物使得晶界成为组织的薄弱区域，裂纹优先从该处产生，不断扩展并吞并其他微裂纹，最终连接起来形成宏观裂纹（图5b）。

图5 失效管样 SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of the failed pipe

2.7 氧化皮检查

爆口处内外壁氧化皮均匀呈灰色，外表面的氧化皮呈树皮状。图6为爆口处截面裂纹尖端氧化皮形貌，可以看到内壁氧化皮结构分为2层，内层致密，外层疏松；外壁氧化皮为一层结构。

图6 失效管样氧化皮形貌Fig.6 Morphology of oxide scale on the failed pipe

对管样显微组织试样在金相显微镜下进行内外壁氧化皮厚度测量，结果见图7。由图7可见，失效管样和对比管样内外壁均可见氧化层，失效管样内、外壁氧化层最大厚度分别约为0.490、0.578 mm，对比管样内、外壁氧化层最大厚度分别约为0.504、0.914 mm。内壁氧化皮厚度均已远超过标准[11]要求“高温再热器管运行时间达到50000 h后，当氧化层厚度超过0.5 mm时，应对管子材质进行状态评估”；对比管样外壁氧化皮厚度超过了标准[12]中要求“当高温再热器管外表面氧化皮厚度超过0.60 mm时应及时换管”。

图7 氧化皮厚度测量Fig.7 Measurement of oxide scale thickness

3 分析与讨论

高温再热器来样化学成分符合标准要求，宏观检查发现爆口呈窗口状，爆口边缘未见明显减薄，管径未明显胀粗。管样室温下抗拉强度均低于标准下限值的1/3，屈服强度低于标准要求的下限值；爆管管样金相组织为珠光体球化4级，非爆管管样金相组织为珠光体球化4.5级。在扫描电镜下可见大量碳化物沿晶界析出并长大，这些碳化物的粗化降低了晶界的强度，降低了材料的强度，内外壁氧化皮生成并向基体不断生长，一定程度上减薄了管子壁厚。另一方面，管子在制造时需要弯曲变形，弯曲的工艺以及之后的处理工艺不当，会有较大的残余应力。残余应力是由于冷变形后工件内部变形不均匀引起的，有研究表明，弯管内弧存在残余拉应力，外弧存在残余压应力。低温退火可以基本消除宏观残余应力（不降低硬度），而微观残余应力必须经过再结晶退火才能完全消除，管子运行温度不足以达到再结晶温度，这部分残余应力就会一直留存在材料中。运行中管子受到顶棚及联箱的拉应力，使得弯头应力水平进一步加大，应力水平的变化也会加速材质的老化。

4 改进措施

1）将与本次取样管连接的管及管座进行更换，并及时对此锅炉高温再热器管类似部位割管取样，如发现取样管力学性能仍不符合标准要求、组织老化、硬度值偏低等问题时，宜对问题管段全部更换。

2）在未停机前应降低参数运行，联系锅炉制造厂确定安全运行参数，重点监督该区域运行状况，防止发生爆管。

5 结论

1）锅炉高温再热器管管径有明显胀粗，爆口呈窗口状，爆口边缘减薄不明显；金相组织完全球化，碳化物沿晶界析出并粗化，呈链状分布；室温抗拉强度及屈服强度均低于标准值，其中抗拉强度下降明显；内外壁氧化皮厚度测量结果均已超过相关标准要求。

2）锅炉高温再热器管在长期高温高压运行中，受热应力及高压介质作用，材质老化，产生微裂纹。

3）微裂纹发生扩展并在尖端附近产生大量细小的裂纹，弯头弯制过程中的残余应力，运行中受到顶棚及联箱的拉应力等会加速微裂纹的扩展长大，当剩余壁厚不满足工况要求时，发生爆管失效。