分享：某亚临界锅炉过热器管腐蚀泄漏原因

过热器管是电站锅炉中承受最高温度场的受压元件,因此对其材料在高温下的力学性能和耐腐蚀性能提出了更高的要求。T91钢为马氏体耐热钢,通过微合金化处理,材料具备了优秀的抗高温氧化性、耐腐蚀性,以及良好的高温持久性能,广泛应用于亚临界、超临界锅炉机组中[1]。实际使用中,T91钢过热器管处于一个复杂的运行工况,运行时受到炉膛温度、蒸汽品质、烟气成分等因素的影响,经常发生爆管事故[2-3]。如焊接方式不当,导致T91钢焊缝存在焊接缺陷或应力集中,在高温和疲劳载荷的作用下,材料就会萌生裂纹,进而发生爆管泄漏事故。如蒸汽品质不高使过热器管蒸汽侧形成氧化皮堆积,影响热量的传递,T91钢管就会长期超温并发生爆管事故[4]。因此,对不同锅炉运行工况下的过热器爆管泄漏原因进行具体分析,并给出针对性的改进措施,对于锅炉机组的安全经济运行具有重要意义。 

某电厂2号锅炉为亚临界自然循环汽包炉,过热器按照初级过热器、末级过热器、二级过热器的结构形式布置于水平烟道侧,锅炉额定出口压力为18.20 MPa,额定出口温度为540 ℃,末级过热器材料为SA-213T91钢,管子规格（直径×壁厚）为51 mm×8 mm。该机组在运行时,水平烟道出现异常泄漏现象,停机检修期发现末级过热器右数第18屏向火面第3根直管段发生爆管事故。笔者对该过热器爆管原因进行一系列理化检验分析,以避免该类事故再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

对发生爆管的末级过热器进行宏观观察,结果如图1所示。由图1可知：爆口位于直管段,距下端弯头焊缝约400 mm；爆口呈鼓包状,主裂纹沿管纵向开裂,主裂纹附近存在大量纵向平行的树皮状小裂纹；整个爆口可见明显胀粗和减薄现象,爆口截面方向最大外径为57.52 mm,最小壁厚为2.76 mm；将管件沿纵向剖开,内表面可见明显的层状黑色氧化皮,氧化皮存在明显爆开和脱落现象,脱落的氧化皮呈黑色碎纸片状。 

图  1  末级过热器爆管的宏观形貌

1.2   力学性能测试

分别在爆管向火面和背火面上取样,对试样进行室温力学性能测试。根据GB/T 228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》制备宽度为10 mm的条状试样,采用拉伸试验机进行拉伸试验。根据GB/T 229—2007 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》制备尺寸（长度×宽度×高度）为3.3 mm×10 mm×55 mm的试样,采用冲击试验机进行夏比V型缺口冲击试验。根据GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》,采用布氏硬度计进行布氏硬度试验,试验载荷为1 837.5 N,加载时间为15 s。爆管的力学性能测试结果如表1所示。由表1可知：向火面和背火面试样的抗拉强度、屈服强度和断面收缩率均满足ASME SA-210/SA-210M—2023 《无缝中碳钢锅炉及过热器管》的要求；向火面试样抗拉强度接近标准要求的下限,布氏硬度低于标准要求的下限；背火面试样布氏硬度接近标准要求的下限。 

1.3   金相检验

在爆口处截取金相试样,利用光学显微镜观察试样,结果如图2所示。由图2可知：爆口向火面组织中含有铁素体和碳化物,为过热老化组织,马氏体位向难以辨认,晶粒沿管道纵向拉长变形,晶界处可见大量碳化物析出；爆口附近可见大量宏观裂纹和微观蠕变孔洞,表明材料出现严重的组织老化和蠕变损伤,老化级别为5级,蠕变孔洞损伤为5级；爆口背火面组织为回火马氏体,晶界有明显的碳化物集聚,老化级别为3级,蠕变孔洞损伤为2b级。 

图  2  爆口处的微观形貌

1.4   扫描电镜（SEM）及能谱分析

采用扫描电镜对爆口进行分析,结果如图3所示。由图3可知：爆口附近外表面存在大量纵向平行的龟裂裂缝,内表面同样存在大量胀粗引起的龟裂裂纹；裂纹附近可见明显的蠕变孔洞,晶界有大量碳化物析出。 

图  3  爆口处SEM形貌

对析出碳化物进行能谱分析,结果如图4所示。由图4可知：碳化物主要含有Fe、Cr、C等元素,析出物主要为铁和铬的碳化物。 

图  4  析出碳化物的能谱分析结果

对内表面脱落的氧化皮进行SEM分析,结果如图5所示。由图5可知：氧化皮存在明显的分层结构,近管壁侧氧化物结构较致密,蒸汽侧氧化物结构较疏松。 

图  5  脱落氧化皮的SEM形貌

1.5   X射线衍射（XRD）分析

对脱落的氧化皮进行XRD分析,结果如图6所示。由图6可知：氧化皮主要成分为Fe2O3,还含有少量Fe3O4。 

图  6  脱落氧化皮的XRD谱图

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知,爆口位置为弯头焊缝上端约400 mm的直管处,爆口呈鼓包状,内外表面均可见大量纵向平行的龟裂裂缝,胀粗明显,边缘减薄严重；爆口内表面可见结构疏松的黑色氧化皮层,并出现剥离和脱落现象；爆口向火面强度明显下降,硬度低于标准要求；爆口处组织中含有铁素体和碳化物,为过热老化组织,马氏体浮凸形貌消失,晶粒沿纵向拉长变形,晶界处大量碳化物析出,爆口附近可观察到微观蠕变孔洞和裂纹；析出碳化物主要为铁和铬的碳化物,且裂纹附近存在明显的蠕变孔洞；脱落氧化皮存在明显的分层结构,近管壁侧氧化皮结构较致密,蒸汽侧氧化皮结构较疏松,氧化皮主要为Fe2O3和少量Fe3O4。 

金属材料的性能由合金的化学成分及组织结构决定[5]。T91钢是一种高合金耐热钢,铬元素使材料的抗氧化能力和耐腐蚀能力增大；钼元素使材料的再结晶温度升高,以增大材料的高温蠕变断裂强度；钒、铌、氮等元素与钢中的碳化物形成弥散的碳化物稳定相M23C6,保证了材料的热强性[6-7]。在正火+回火热处理状态下,T91钢形成细小的回火板条状马氏体,位错密度较高,保证了材料高热强性、抗氧化性和耐腐蚀性[8]。当温度过高时,合金中的铬、钼元素不断向碳化物转移,形成粗化的碳化物析出相,削弱了铬、钼元素的固溶强化作用。粗化的碳化物相聚集在晶界,导致材料界面的强化效果变差,马氏体位向遭到破坏,使位错密度降低、强度下降、硬度降低,材料出现蠕变损伤。 

爆口位置处于蒸汽紊流区,过热器管内表面在高温蒸汽环境下发生氧化,表面形成一层氧化皮,阻碍了蒸汽介质与管壁金属的热量交换,导致管子的热传导性能恶化,该管段实际温度随运行时间的延长不断升高；在长期过热作用下,回火马氏体相遭到破坏,并向过热的铁素体转变,逐渐在晶界处析出碳化物颗粒；T91钢基体和氧化皮的热膨胀系数差异较大,疏松多孔的Fe2O3与基体材料的黏结性较差。当氧化皮达到一定厚度时,在高温波动和交变应力的综合作用下,氧化皮发生脱落并堆积于下部弯管,导致蒸汽流通截面积减小以及流量下降。T91钢管过热加剧后,材料位错密度降低并形成蠕变孔洞,在交变应力作用下,孔洞发展为蠕变裂纹,导致管子的强度和硬度迅速降低[9]；脱落的氧化皮导致管壁逐渐减薄,因此管壁承受的应力不断变大,最终导致过热器发生爆管事故。 

3.   结语与建议

过热器管局部高温过热,使内表面产生氧化皮及氧化皮出现脱落,脱落的氧化皮在下弯管部位堆积,管子流通截面积减小、蒸汽流量降低导致管子过热,管子的力学性能劣化、壁厚减薄,在蒸汽压力的作用下,过热器最终发生爆管事故。 

建议加强对过热器管金属的监督,采用金相检验、无损检测等技术对过热器管进行监督检查,及时发现管子的异常。在过热器爆管附近增设壁温测点,加强对管壁温度的监控,出现异常时及时采取措施,避免发生过热现象。改善过热器运行的温度条件,如对锅炉燃烧系统进行改造,使烟气温度场更加均匀,避免局部温度过高。 

文章来源——材料与测试网