12Cr1MoVG高温过热器爆管失效分析

金敏华，刘献良，赖云亭，朱保印

(1.江苏常熟发电有限公司，江苏 苏州 215536，2.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

过热器管运行温度高、压力大、工况恶劣，过热器爆管事故造成的损失大，是导致电厂非计划停机的主要原因，影响电厂的安全生产[1-3]。某电厂燃煤发电机组锅炉为上海锅炉厂设计制造的亚临界、单炉膛、一次中间再热、直流锅炉，采用中速磨正压直吹式制粉系统，单炉膛倒U型露天布置，四角切向燃烧，1993年7月投产，2004年将直流炉改成汽包炉，实行机组增容改造(300MW增容至330MW)。汽轮机为上海汽轮机公司生产的亚临界、一次中间再热单轴四缸四排汽反动凝汽式汽轮机。锅炉高温过热器底部弯头及进口侧材质12Cr1MoVG，出口侧材质为T91，设计运行温度540℃。锅炉运行时间13万h时，高温过热器底部弯头发生爆管。针对上述高温过热器爆管情况，对爆管及临近管屏取样进行试验分析，探讨爆管原因。

1 研究方法

1.1 宏观检验

通过对爆口管爆口特征宏观检查，初步判断爆管发生的可能原因，根据宏观检查结果，对爆口管及相邻的一根管段取样进行试验分析。

1.2 化学成分分析

化学成分分析采用OPTIMA2100DV型全谱直读等离子发射光谱仪，依据GB/T4336-2016《碳素钢和中低合金钢 火花源原子发射光谱分析方法(常规法)》标准进行。

1.3 力学性能测试

采用100kN AG-IC 岛津电子万能材料试验机，标准为GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》。硬度采用HBS-3000型数显布氏硬度计，标准为GB/T231.1-2009《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》。

1.4 金相组织分析

金相检验采用Zeiss Axiovert 200MAT倒置万能材料显微镜，依据标准为GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》。

2 结果与讨论

2.1 宏观检验

图1为爆口管段爆口宏观照片。

图1 爆口宏观形貌

从图1可知，爆口发生在弯头中性面靠近背弧侧，爆口张开较大呈菱形，有明显的塑性变形特征；爆口边缘减薄量较小，呈粗糙的钝边。

2.2 化学成分

对爆口管段取样进行化学成分分析，分析结果如表1所示。爆口管的化学成分符合GB/T5310-2017标准要求。

表1 爆口管化学成分分析结果 wt/%

2.3 力学性能

在爆口管段爆口附近、弯头一侧的竖直进口段、弯头另一侧的竖直出口段分别取样，在与爆口管相邻管排的相同布置高度取样，进行布氏硬度和室温拉伸性能测试。

参考标准《高压锅炉用无缝钢管》(GB/T5310-2017)对12Cr1MoVG钢管硬度及拉伸性能规定可知，两管段不同位置取样的硬度值均在标准规定的范围内，但爆口管的硬度值略低于相邻管段相同位置的硬度值，且两管段出口段的硬度值略低于进口段。爆口管段弯头处因在爆破时发生塑性变形，导致其硬度值略有升高。

2.4 金相检验

图2、图3分别为爆口管及相邻管段不同位置取样的金相检验照片。结果可见，爆口管和相邻管弯头及靠近弯头的进口侧直管、出口侧直管显微组织均为铁素体+碳化物，珠光体球化评级已达5级。

爆口处微裂纹内有较厚的氧化产物，裂纹边缘晶粒发生拉长变形，并有大量的蠕变孔洞。两管段内壁氧化皮厚度均较大，尤其是相邻管的弯头内壁氧化皮厚度已达583μm。此外，两管出口侧的氧化皮厚度均大于入口侧，爆口管和相邻管出口侧内壁氧化皮厚度分别约548μm和516μm。

图2 爆口管取样显微组织形貌及内壁氧化皮厚度测量

图3 相邻管取样显微组织形貌及内壁氧化皮厚度测量

2.5 爆管原因分析

锅炉受热面管爆口管段化学成分满足GB/T5310-2017标准要求。爆口管各位置取样的力学性能均低于相邻管，且内壁氧化皮厚度均大于相邻管，反映出爆口管的运行温度高于相邻管。爆口开口较大，呈菱形状爆口，宏观上具有一定的短时过热爆口特征[4-7]。但爆口边缘减薄量较小，呈粗糙的钝边，结合管段金相检验发现，爆口管及相邻管段弯头，以及靠近弯头的入口侧和出口侧直管材料都严重老化，珠光体球化级别已达到5级，爆口附近还有大量的蠕变空洞，上述特征又符合受热面管长时过热爆管的特征[8-11]。由此可以看出，爆口主要以长时过热为主，长时过热导致了组织和性能的劣化，而爆管前出现的短时超温则加速了爆管的发生，但短时超温幅度未超过12Cr1MoVG的Ac1相变点[12-16]。

锅炉受热面管在运行过程中内壁与高温高压的蒸汽接触，会在内壁形成一层氧化皮。当氧化皮厚度过大时，金属壁温将会显著升高，引起受热面管超温[17-21]。统计发现，剥离的氧化皮阻塞气流造成锅炉过热器、再热器超温爆管，已成为全球范围内锅炉管失效的第二位主要因素[22-25]。可见，内壁氧化皮的生成是造成锅炉受热面管过热爆管失效的最主要原因之一。

在一定的服役时间内，锅炉高温受热面管内壁氧化皮的增长厚度与其金属壁温有一定的对应关系，这个等效的金属壁温就称之为当量金属温度[26]。参考DL/T654-2009给定的12Cr1MoVG金属温度(537～648℃)的估算公式，即：

lgx=-6.839869+0.003860T1+0.000283T1lgt

式中：x为向火侧内壁氧化层厚度，mils；T1为兰氏温度，°R；t为管子的运行时间，h。

计算得出的爆口管和相邻管出口段的金属温度分别约582℃和580℃，而相邻管弯头处估算的金属温度约585℃。可见，管段存在超温运行的情况，这与显微组织出现严重老化的结果相吻合。

3 结论与建议

试验分析结果可知爆管原因为长时超温导致管子显微组织和力学性能劣化，强度不足而爆管，而短时超温加速了爆管的发生。针对爆管原因，应对整体高温过热器管材选取有代表性的管段进行剩余寿命评估，根据评估结果制定高过的处理措施。加强对内壁氧化皮的厚度监测，定期采用超声波等手段对内壁氧化皮厚度进行检验，并对厚度较大区域割管检验，并通过酸洗等降低氧化皮的厚度。在机组后续的运行过程中，严格控制过热器管金属壁温，对于12Cr1MoVG材质的管子应将金属壁温控制在≤580℃的范围内。