0. 引言

鍋爐過熱器是將蒸汽從飽和溫度進一步加熱至過熱溫度的部件,可以減少汽輪機排汽中的含水率。在服役過程中,過熱器管壁溫度可能長期處于設(shè)計服役溫度以上但低于材料下臨界轉(zhuǎn)變溫度,這使得管壁材料性能劣化,管徑脹粗,易在管壁最薄弱部位發(fā)生爆裂。研究[1-2]表明,過熱器爆管事故已成為影響發(fā)電機組安全運行的主要因素,由此引起的非計劃停運次數(shù)占比達40%以上。引起過熱器爆管的原因眾多,包括氧化腐蝕[2]、管壁疲勞[3]、短時或長時超溫過熱[4-5]、焊縫開裂、微動磨損等[2-5],其中長時過熱導致的蠕變斷裂最為常見[5-7]。

T91（9Cr-1Mo-V-Nb）鋼是在600~650 ℃溫度區(qū)間使用的新汽水管道鋼,屬于馬氏體耐熱鋼[8],在火電廠過熱器管等重要部件上得到廣泛使用[9-10]。然而,在熱電廠實際運行監(jiān)督過程中常發(fā)現(xiàn)過熱器中的T91鋼部件出現(xiàn)組織異常和硬度低的問題[11],這將導致該部件抗蠕變斷裂能力下降[12]。某公司余熱鍋爐過熱器用T91鋼管在服役79 583 h后發(fā)生爆管,爆口位于過熱器中心靠下位置。在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的工況條件下,過熱器的運行參數(shù)為煙氣進口溫度809.0 ℃,出口溫度716.0 ℃,平均流速12.3 m·s?1,工作壓力18.5 MPa,蒸汽溫度543.0 ℃,蒸發(fā)量1 275 t·h?1。根據(jù)GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》,該T91鋼管采用冷彎工藝制成,規(guī)格為外徑51 mm、壁厚7 mm。為了找到該鋼管爆管原因,保證熱電廠鍋爐的安全運行,作者對其進行了失效分析。

1. 理化檢驗及結(jié)果

1.1 化學成分

在爆管的爆口處切取圓柱狀試樣,采用ARL3460型直讀光譜儀分析化學成分。由表1可知,爆管的化學成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》和ASME SA-213 Standard specification for seamless ferritic and austenitic alloy-steel boiler superheater, and heat-exchanger tubes中T91鋼的成分要求。

1.2 宏觀形貌

由圖1可知,爆管T91鋼管存在長13 cm、寬7 cm的大開口,爆口張開較大呈喇叭狀,鋼管外壁出現(xiàn)明顯呈深黑色或褐色的片層狀氧化皮,氧化皮較厚并沿軸向平行開裂,這說明管體經(jīng)歷了長時間的過熱過程。爆口的邊緣管壁明顯減薄,內(nèi)表面光滑,未發(fā)現(xiàn)沿管道方向的縱向裂紋；除爆口部位,其他部位未見脹粗；爆口處的內(nèi)外表面均出現(xiàn)呈白色或黃色的菜花狀沉積物和明顯腐蝕跡象；遠離爆口處的管壁未出現(xiàn)變薄現(xiàn)象。這些現(xiàn)象均說明爆管經(jīng)歷了短時過熱過程。

圖 1 T91鋼爆管的宏觀形貌

Figure 1. Macromorphology of T91 steel burst pipe: (a) overall morphology of burst pipe section; (b) overall morphology at burst position; (c) magnified morphology at burst position

采用直接測量方法測定爆管外徑,從爆口位置沿軸向向兩端等距測試,距爆口相同距離處沿周向測5個點取平均值,并計算脹粗率。由表2可知,過熱器爆管的近爆口管段均存在蠕變脹粗現(xiàn)象,在距爆口10~200 mm處的脹粗率均超過DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的換管要求（脹粗率為2.5%）。

1.3 顯微組織

分別在未服役的同批次T91鋼管和發(fā)生爆管的T91鋼管的爆口斷面處、鄰近爆口處、遠離爆口處沿管壁徑向方向制取金相試樣,經(jīng)粗磨、拋光、體積分數(shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用OlympusGX71型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖2可知：未服役同批次T91鋼管的組織為回火板條馬氏體；爆管T91鋼管爆口斷面處組織為拉長鐵素體+少量馬氏體+碳化物,近爆口處組織表現(xiàn)出明顯的塑性變形特征,遠離爆口處存在大量鐵素體和碳化物,對比DL/T 884―2019《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導則》可知組織老化達5級。