過熱器管是電站鍋爐中承受最高溫度場的受壓元件,因此對其材料在高溫下的力學性能和耐腐蝕性能提出了更高的要求。T91鋼為馬氏體耐熱鋼,通過微合金化處理,材料具備了優秀的抗高溫氧化性、耐腐蝕性,以及良好的高溫持久性能,廣泛應用于亞臨界、超臨界鍋爐機組中[1]。實際使用中,T91鋼過熱器管處于一個復雜的運行工況,運行時受到爐膛溫度、蒸汽品質、煙氣成分等因素的影響,經常發生爆管事故[2-3]。如焊接方式不當,導致T91鋼焊縫存在焊接缺陷或應力集中,在高溫和疲勞載荷的作用下,材料就會萌生裂紋,進而發生爆管泄漏事故。如蒸汽品質不高使過熱器管蒸汽側形成氧化皮堆積,影響熱量的傳遞,T91鋼管就會長期超溫并發生爆管事故[4]。因此,對不同鍋爐運行工況下的過熱器爆管泄漏原因進行具體分析,并給出針對性的改進措施,對于鍋爐機組的安全經濟運行具有重要意義。

某電廠2號鍋爐為亞臨界自然循環汽包爐,過熱器按照初級過熱器、末級過熱器、二級過熱器的結構形式布置于水平煙道側,鍋爐額定出口壓力為18.20 MPa,額定出口溫度為540 ℃,末級過熱器材料為SA-213T91鋼,管子規格（直徑×壁厚）為51 mm×8 mm。該機組在運行時,水平煙道出現異常泄漏現象,停機檢修期發現末級過熱器右數第18屏向火面第3根直管段發生爆管事故。筆者對該過熱器爆管原因進行一系列理化檢驗分析,以避免該類事故再次發生。

1. 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對發生爆管的末級過熱器進行宏觀觀察,結果如圖1所示。由圖1可知：爆口位于直管段,距下端彎頭焊縫約400 mm；爆口呈鼓包狀,主裂紋沿管縱向開裂,主裂紋附近存在大量縱向平行的樹皮狀小裂紋；整個爆口可見明顯脹粗和減薄現象,爆口截面方向最大外徑為57.52 mm,最小壁厚為2.76 mm；將管件沿縱向剖開,內表面可見明顯的層狀黑色氧化皮,氧化皮存在明顯爆開和脫落現象,脫落的氧化皮呈黑色碎紙片狀。

圖 1末級過熱器爆管的宏觀形貌

1.2 力學性能測試

分別在爆管向火面和背火面上取樣,對試樣進行室溫力學性能測試。根據GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》制備寬度為10 mm的條狀試樣,采用拉伸試驗機進行拉伸試驗。根據GB/T 229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》制備尺寸（長度×寬度×高度）為3.3 mm×10 mm×55 mm的試樣,采用沖擊試驗機進行夏比V型缺口沖擊試驗。根據GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,采用布氏硬度計進行布氏硬度試驗,試驗載荷為1 837.5 N,加載時間為15 s。爆管的力學性能測試結果如表1所示。由表1可知：向火面和背火面試樣的抗拉強度、屈服強度和斷面收縮率均滿足ASME SA-210/SA-210M—2023 《無縫中碳鋼鍋爐及過熱器管》的要求；向火面試樣抗拉強度接近標準要求的下限,布氏硬度低于標準要求的下限；背火面試樣布氏硬度接近標準要求的下限。

1.3 金相檢驗

在爆口處截取金相試樣,利用光學顯微鏡觀察試樣,結果如圖2所示。由圖2可知：爆口向火面組織中含有鐵素體和碳化物,為過熱老化組織,馬氏體位向難以辨認,晶粒沿管道縱向拉長變形,晶界處可見大量碳化物析出；爆口附近可見大量宏觀裂紋和微觀蠕變孔洞,表明材料出現嚴重的組織老化和蠕變損傷,老化級別為5級,蠕變孔洞損傷為5級；爆口背火面組織為回火馬氏體,晶界有明顯的碳化物集聚,老化級別為3級,蠕變孔洞損傷為2b級。

圖 2爆口處的微觀形貌

1.4 掃描電鏡（SEM）及能譜分析

采用掃描電鏡對爆口進行分析,結果如圖3所示。由圖3可知：爆口附近外表面存在大量縱向平行的龜裂裂縫,內表面同樣存在大量脹粗引起的龜裂裂紋；裂紋附近可見明顯的蠕變孔洞,晶界有大量碳化物析出。

圖 3爆口處SEM形貌

對析出碳化物進行能譜分析,結果如圖4所示。由圖4可知：碳化物主要含有Fe、Cr、C等元素,析出物主要為鐵和鉻的碳化物。

圖 4析出碳化物的能譜分析結果

對內表面脫落的氧化皮進行SEM分析,結果如圖5所示。由圖5可知：氧化皮存在明顯的分層結構,近管壁側氧化物結構較致密,蒸汽側氧化物結構較疏松。

圖 5脫落氧化皮的SEM形貌

1.5 X射線衍射（XRD）分析

對脫落的氧化皮進行XRD分析,結果如圖6所示。由圖6可知：氧化皮主要成分為Fe2O3,還含有少量Fe3O4。

圖 6脫落氧化皮的XRD譜圖

2. 綜合分析

由上述理化檢驗結果可知,爆口位置為彎頭焊縫上端約400 mm的直管處,爆口呈鼓包狀,內外表面均可見大量縱向平行的龜裂裂縫,脹粗明顯,邊緣減薄嚴重；爆口內表面可見結構疏松的黑色氧化皮層,并出現剝離和脫落現象；爆口向火面強度明顯下降,硬度低于標準要求；爆口處組織中含有鐵素體和碳化物,為過熱老化組織,馬氏體浮凸形貌消失,晶粒沿縱向拉長變形,晶界處大量碳化物析出,爆口附近可觀察到微觀蠕變孔洞和裂紋；析出碳化物主要為鐵和鉻的碳化物,且裂紋附近存在明顯的蠕變孔洞；脫落氧化皮存在明顯的分層結構,近管壁側氧化皮結構較致密,蒸汽側氧化皮結構較疏松,氧化皮主要為Fe2O3和少量Fe3O4。

金屬材料的性能由合金的化學成分及組織結構決定[5]。T91鋼是一種高合金耐熱鋼,鉻元素使材料的抗氧化能力和耐腐蝕能力增大；鉬元素使材料的再結晶溫度升高,以增大材料的高溫蠕變斷裂強度；釩、鈮、氮等元素與鋼中的碳化物形成彌散的碳化物穩定相M23C6,保證了材料的熱強性[6-7]。在正火+回火熱處理狀態下,T91鋼形成細小的回火板條狀馬氏體,位錯密度較高,保證了材料高熱強性、抗氧化性和耐腐蝕性[8]。當溫度過高時,合金中的鉻、鉬元素不斷向碳化物轉移,形成粗化的碳化物析出相,削弱了鉻、鉬元素的固溶強化作用。粗化的碳化物相聚集在晶界,導致材料界面的強化效果變差,馬氏體位向遭到破壞,使位錯密度降低、強度下降、硬度降低,材料出現蠕變損傷。

爆口位置處于蒸汽紊流區,過熱器管內表面在高溫蒸汽環境下發生氧化,表面形成一層氧化皮,阻礙了蒸汽介質與管壁金屬的熱量交換,導致管子的熱傳導性能惡化,該管段實際溫度隨運行時間的延長不斷升高；在長期過熱作用下,回火馬氏體相遭到破壞,并向過熱的鐵素體轉變,逐漸在晶界處析出碳化物顆粒；T91鋼基體和氧化皮的熱膨脹系數差異較大,疏松多孔的Fe2O3與基體材料的黏結性較差。當氧化皮達到一定厚度時,在高溫波動和交變應力的綜合作用下,氧化皮發生脫落并堆積于下部彎管,導致蒸汽流通截面積減小以及流量下降。T91鋼管過熱加劇后,材料位錯密度降低并形成蠕變孔洞,在交變應力作用下,孔洞發展為蠕變裂紋,導致管子的強度和硬度迅速降低[9]；脫落的氧化皮導致管壁逐漸減薄,因此管壁承受的應力不斷變大,最終導致過熱器發生爆管事故。

3. 結語與建議

過熱器管局部高溫過熱,使內表面產生氧化皮及氧化皮出現脫落,脫落的氧化皮在下彎管部位堆積,管子流通截面積減小、蒸汽流量降低導致管子過熱,管子的力學性能劣化、壁厚減薄,在蒸汽壓力的作用下,過熱器最終發生爆管事故。

建議加強對過熱器管金屬的監督,采用金相檢驗、無損檢測等技術對過熱器管進行監督檢查,及時發現管子的異常。在過熱器爆管附近增設壁溫測點,加強對管壁溫度的監控,出現異常時及時采取措施,避免發生過熱現象。改善過熱器運行的溫度條件,如對鍋爐燃燒系統進行改造,使煙氣溫度場更加均勻,避免局部溫度過高。

文章來源——材料與測試網