６００MW 超臨界電站鍋爐末級過熱器管爆裂失效分析

晏嘉陵

(中國大唐集團 科學技術研究院有限公司 華東分公司,合肥 ２３００８８)

摘 要:通過宏觀檢驗、室溫拉伸試驗、金相檢驗、硬度試驗等方法對某６００ MW 超臨界電站鍋爐末級過熱器管發生爆裂的原因進行了分析.結果表明:該爆裂管經歷過長期超溫運行,組織老化嚴重,產生蠕變孔洞并連接形成裂紋,最終導致其在最薄弱的彎頭外弧面處發生爆裂.

關鍵詞:末級過熱器;爆裂;失效分析;長期超溫;組織老化;蠕變孔洞

中圖分類號:TK２２３．３;TG１１５ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０４４５Ｇ０４

收稿日期:２０１７Ｇ０２Ｇ２８

作者簡介:晏嘉陵(１９８４－),男,工程師,碩士,從事電站金屬部

件監督及結構壽命評估工作,jialing_yan２００９＠１６３．com

FailureAnalysisonBurstingoftheFinalＧStageSuperheaterTube

ina６００MW UltraＧSupercriticalBoiler

YANJialing

(EastChinaBranch,ScienceandTechnologyResearchInstituteCo．,Ltd．,ChinaDatangCorporation,Hefei２３００８８,China)

Abstract:TheburstingfailurereasonsofthefinalＧstagesuperheatertubeina６００ MW ultrasupercriticalboilerwereanalyzedthroughthemethodsofmacroinspection,tensiletestatroomtemperature,metallographic

examination,hardnesstest,etc．TheresultsshowthattheburstingtubeexperiencedlongＧtermoverheating,the

microstructurewasseriouslyaged,andcreepholesformedandconnectedtocracks,whichfinallyresultedinthe

burstingattheweakestpositionoftheelbowoutsidearcsurface．

Keywords:finalＧstagesuperheater;bursting;failureanalysis;longＧterm overheating;structureaging;

creephole

    鍋爐４管(過熱器管、再熱器管、水冷壁管和省煤器管)是電站鍋爐的主要承壓和受熱部件.據粗略統計,鍋爐４管事故約占國內鍋爐事故的２/３,是影響火電機組安全經濟運行的最主要因素之一[１Ｇ７].隨著我國火電機組容量的不斷提高,汽水系統的壓力和溫度也相應增加,在運行過程中出現了諸多問題.某電廠鍋爐末級過熱器管發生爆管事故,爆裂過熱器管材料為 GB５３１０－２００８«高 壓 鍋 爐 爐 用 無 縫 鋼 管»中 的１０Cr９Mo１VNbN(美 國 牌 號 T９１)鋼 管,規 格 為

?３８．１mm×７．９６mm;爆 裂 位 置 為 由 西 向 東 數 第２８排、由外向內數第６根;過熱器管累計運行時間約６×１０４ h.該鍋爐型號為 SGＧ１９１８/２５．４ＧM９６８,為超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流、單爐膛、一次中間再熱、單爐膛四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、露天布置、Π型燃煤鍋爐.過熱蒸汽出口設計壓力為２５．４ MPa,設計溫度為５７１℃.筆者對爆裂末級過熱器管進行了檢驗和分析,查明了其爆裂原因,并給出了改進建議.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢驗

    爆裂末級過熱器管爆口宏觀形貌如圖１所示,爆口位于鋼管彎頭背弧面,附近無明顯脹粗,爆口沿鋼管軸向長約３０ mm.由于爆管后與其他過熱器管相互吹損,爆口邊緣部分位置吹損缺失,爆口附近部分未被吹損位置有明顯龜裂紋.

１．２ 室溫拉伸試驗

    在爆裂末級過熱器管上取４個拉伸試樣,使用CMT５１０５微機控制電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗,試驗結果取４個試樣的平均值,見表１.可見鋼管的抗拉強度和屈服強度均不能滿足 GB５３１０－２００８對１０CrMo１VNbN 鋼管的技術要求.

１．３ 金相檢驗

在爆裂末級過熱器管爆口附近、爆口背面、距離爆口２００mm 和５００mm 的直管段位置分別截取金相試樣.試 樣 經 磨 制、拋 光 和 化 學 侵 蝕 后 在 CarlZeissAxioObserverA１m 型金相顯微鏡下進行顯微組織試樣的.

可見爆口邊緣管內壁有厚約０．３２mm 的氧化皮,外壁氧化皮脫落嚴重,部分位置留有厚約 ０．１３ mm 的氧化皮,顯微組織晶粒細小,晶粒度在７級左右.爆口邊緣晶粒變形嚴重,附近有大量的蠕變孔洞,顯微組織為鐵素體＋碳化物,馬氏體已經完全分解,碳化物呈塊狀分布在鐵素體晶界位置.

圖３為爆口背面試樣的顯微組織形貌,可見管內壁 有 厚 約 ０．１７ mm 的 氧 化 皮,外 壁 有 厚 約０．１２mm 的氧化皮,顯微 組 織 晶 粒 細 小,晶 粒 度 在７級左右.顯微組織中大部分馬氏體分解成鐵素體＋碳化物,部分碳化物在鐵素體晶界位置聚集長大成塊狀,部分碳化物仍彌散分布在基體中.

圖４為距離爆口２００mm 處的顯微組織形貌,可見管內壁有厚約０．２０ mm 的氧化皮,外壁有厚約０．２７mm 的氧化皮,顯微組織晶粒細小,晶粒度在７級左右.顯微組 織 中 馬 氏 體 已 經 完 全 分 解 成鐵素體＋碳 化 物,部 分 碳 化 物 在 鐵 素 體 晶 界 位 置聚集長大成 顆 粒 狀,部 分 碳 化 物 仍 彌 散 分 布 在 基體中.

圖５為距離爆口５００mm 處的顯微組織形貌,可見管內壁有厚約０．１８mm 的氧化皮,外壁有厚約０．２３mm 的氧化皮,顯微組織晶粒細小,晶粒度在７級左右.顯微組織中部分區域尚有馬氏體位相,部分區域馬氏體已經分解成鐵素體＋碳化物,細小的碳化物在鐵素體晶界位置聚集,部分碳化物仍彌散分布在基體中.

１．４ 1.硬度試驗

利用 THBＧ３０００MDX 型布氏硬度計在金相試進行布氏硬度試驗,結果見表２.硬度檢測結果顯示,爆裂末級過熱器管各個位置的硬度均低于 DL/T４３８－２０１６«火力發電廠金屬技術監督規程»規定的下限值.

２ 分析與討論

由以上理化檢驗結果可知,爆裂末級過熱器管的室溫抗拉強度、屈服強度和硬度均低于標準規定的下限值,爆口附近顯微組織中的馬氏體完全分解為鐵素體＋碳化物,基體中的合金元素以碳化物的形式析出并在晶界位置聚集長大,爆口背面以及距離爆口２００mm 和５００mm 位置的顯微組織也均有比較明顯的老化趨勢.在低于６００ ℃運行時,T９１鋼中大量固溶的合金元素、彌散分布的碳化物和較高的位錯密度使其具有良好的抗蒸汽氧化性能和長時持久強度.而在超過６００ ℃的條件下長期運行時,T９１鋼中的合金元素會以碳化物的形式大量地析出、聚集和長大,顯微組織中的馬氏體加速分解,基體中的固溶強化、彌散強化和位錯強化作用大大減弱,進而導致材料的持久強度快速下降.

３ 結論

綜合以上檢驗和分析可知,該超臨界電站鍋爐末級過熱器管經歷過長期超溫運行,組織老化明顯,材料持久強度顯著下降.材料強度下降引起鋼管發生蠕變脹粗,產生蠕變孔洞并連接形成裂紋,最終導致鋼管在最薄弱的彎頭外弧面處發生爆裂.

４ 建議

(１)增加溫度檢測點,加強受熱面鋼管的溫度監控,防止超溫運行.

(２)擴大末級過熱器管的割管檢查范圍,確定管材老化趨勢,適時對末級過熱器管開展服役安全性評價,確保鍋爐安全穩定運行.

(３)定期檢查彎頭氧化皮堆積情況,防止因氧化皮堆積造成管內介質流量不足而導致局部超溫.

更是在與螺母交界的螺紋根部產生了較大的單向應力集中.螺紋根部不斷經受疲勞產生疲勞裂紋,疲勞裂紋不斷擴展,當吊鉤螺桿剩余截面不足以承重時便會發生最終斷裂.

３ 結論及建議

吊鉤螺桿斷裂屬于應力集中造成的單向彎曲疲勞斷裂;吊鉤螺桿斷裂的主要原因是長期的不當操作造成在斷裂處產生較大的應力集中,在交變的彎曲應力作用下最終造成疲勞斷裂.

鑒于以上分析,建議如下:①在起升貨物的過程中,必須要緩慢起升貨物,不能啟動太快,避免產生沖擊載荷;②經常檢查吊鉤各部位,檢查和維護吊鉤組的結構部件,如發現問題及時處理;③嚴格執行操作要求,避免不規范操作,尤其是起吊重物時應盡量避免橫向撞擊.

（文章來源： 材料與測試網-理化檢驗－物理分冊 > 53卷 > 6期 (pp:445-448)）