國華盤電-1爐過熱器爆管分析及處理

國華盤電公司#1爐高溫過熱器爆管分析報告2015.05.22國華盤電公司#1爐高溫過熱器

爆管分析報告一、設(shè)備概況二、高溫過熱器爆管經(jīng)過及處理三、爆管原因分析四、分析結(jié)論及后續(xù)措置一、設(shè)備概況：1、天津國華盤山發(fā)電有限責(zé)任公司安裝有兩臺俄制ΠΠ-1650-25-545KT（Π-76）型直流超臨界鍋爐，單機容量500MW（已增容為530MW）。1995年12月和1996年6月相繼投產(chǎn)運營。鍋爐為單爐體結(jié)構(gòu)，“T”型布置，爐膛兩側(cè)布置兩個對流豎井和鍋爐兩側(cè)水平煙道相連。爐膛為矩形，尺寸為23.08×13.864m，整體受熱面懸掛在標(biāo)高為86.5m的鋼結(jié)構(gòu)上，鍋爐為對沖式旋流燃燒。鍋爐水冷壁為垂直往復(fù)上升布置，水冷壁管材質(zhì)為12Cr1MoV，規(guī)格為Φ32*6mm。鍋爐燃燒室上部和水平煙道內(nèi)，沿?zé)煔饬鞒谭謩e布置了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級屏式過熱器，高溫段再熱器，高溫段對流過熱器。鍋爐對流豎井煙道內(nèi)，沿?zé)煔饬鞒滩贾昧擞墒∶浩鲬业跎咝喂芄潭ǖ牡蜏卦贌崞骱褪∶浩魇軣崦婀苁?。Ⅰ級屏過材質(zhì)為12Cr1MoV，Ⅱ級屏過、Ⅲ級屏過、高溫過熱器、高溫再熱器材質(zhì)為12Cr18Ni12Ti，過熱器管規(guī)格為Φ32*6mm。鍋爐原設(shè)計為山西晉北煙煤，后改燒神華煤及摻燒準(zhǔn)格爾煤。鍋爐水平煙道受熱面布置圖二、高溫過熱器爆管經(jīng)過及處理：1、事件經(jīng)過：2015年3月8日10：19運行值班員發(fā)現(xiàn)#1鍋爐四管泄漏報警，就地鍋爐57米有泄漏聲。向調(diào)度申請停備、檢查，18:58調(diào)度令#1機組停備。停機后檢查發(fā)現(xiàn)泄漏點為乙側(cè)距爐頂1米處高溫過熱器第58排第6根泄漏，實地檢查爆口邊緣不規(guī)則、無明顯減薄，爆口附近無明顯漲粗。二、高溫過熱器爆管經(jīng)過及處理：2、處理情況：1）將爆口及相鄰高溫過熱器管取樣送中國特檢院的金相檢驗。2）對屏3、高過、高再的全部下彎頭進行了氧化皮檢測，未見氧化皮堆積的現(xiàn)象。3）對爆管所在聯(lián)箱內(nèi)部進行了內(nèi)窺鏡檢查，內(nèi)部清潔，無異物。4）對過熱器及再熱器蒸汽吹灰及飛灰吹損減薄情況進行了檢查，未見吹損減薄的情況。5）查閱歷史記錄，高溫過熱器出口壁溫測點無超溫和溫度升高現(xiàn)象。三、爆管原因分析：1、設(shè)備檢修及運行情況：1）過熱器壁溫記錄、超壓記錄等，均未發(fā)現(xiàn)超溫、超壓情況。2）該鍋爐的受熱面設(shè)備檢修臺帳，發(fā)生爆管的高溫過熱器沒有進行過修理改造及變更。3）高溫過熱器管發(fā)生過防磨瓦翻轉(zhuǎn)脫落或移位，已進行防磨瓦更換處理，其他無異常。4）進行過氧化皮檢測，未發(fā)現(xiàn)氧化皮大面積脫落和沉積現(xiàn)象。5）檢查未發(fā)現(xiàn)因蒸汽吹灰或飛灰磨損問題。三、爆管原因分析：2、爆口宏觀檢查情況：1）為高溫過熱器原始首爆口（管排58-6）的宏觀形貌，爆口長約24cm，寬約2.5cm；2）除爆口部位外，整個管子無明顯脹粗及變形；3）爆口張開不大，呈喇叭狀；4）爆口邊緣無明顯減薄現(xiàn)象，斷裂面較粗糙；5）管子內(nèi)外表面無明顯肉眼可見的氧化皮及腐蝕產(chǎn)物；6）在爆口外表面可見與軸向平行的裂紋，裂紋較細并呈線狀（軸向）分布，管子內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂紋。

軸向裂紋

三、爆管原因分析：3、化學(xué)成分分析：1）對新管樣管、服役至2007年的樣管、此次爆口樣管、爆口附近樣管以及遠離爆口的樣管進行化學(xué)成分分析。(見表1)2）從化學(xué)成分分析結(jié)果可見，新管樣管、服役至2007年管樣、此次失效的爆口樣管、爆口附件樣管以及遠離爆口的樣管的化學(xué)成分均符合GOST5945-1975標(biāo)準(zhǔn)中12х18Н12Т的化學(xué)成分要求。三、爆管原因分析：表1:樣管化學(xué)成分測試結(jié)果

樣管編號樣管運行時間化學(xué)元素含量（質(zhì)量分數(shù)%）CSiMnPSCrNiTi1#新管樣管00.0680.511.300.0260.01617.2411.650.642#服役至2007年樣管2007年0.0560.441.400.0290.01318.0911.180.593#此次失效的原始首爆口管（58-5）事故發(fā)生(136000h)0.0720.691.220.0270.00817.5711.410.574#爆口附近被吹損樣管（59-4）事故發(fā)生(136000h)0.0640.461.530.0200.00117.4711.270.305#遠離爆口樣管（63-6）事故發(fā)生(136000h)0.0780.531.170.0260.00918.0811.730.50GOST5945-1975標(biāo)準(zhǔn)//≤0.12≤1.00≤2.00≤0.030≤0.03517.00-19.0011.00-13.000.5C-0.70三、爆管原因分析：4、力學(xué)性能測試：1）對此次失效的爆口樣管、爆口附近樣管以及遠離爆口的樣管進行力學(xué)性能測試，試驗結(jié)果見表2。2、從表2可以看出，所有樣管向火側(cè)和背火側(cè)的力學(xué)性能相近，并且力學(xué)性能均符合GOST5945-1975標(biāo)準(zhǔn)中12х18Н12Т的力學(xué)性能要求。但爆口管樣的斷后伸長率率較低，為42%，接近使用標(biāo)準(zhǔn)值下限。三、爆管原因分析：表2：力學(xué)性能測試結(jié)果

試樣編號管樣位置取樣位置抗拉強度Rm/MPa屈服強度Rp0.2/MPa斷后伸長率A/%3#爆口管向火背火65765326326842.042.04#爆口管（59-4）向火背火59559325124564.164.75#遠離爆口取樣管（63-6）向火背火66866835435650.249.7GOST5945-1975標(biāo)準(zhǔn)/≥539≥196≥40三、爆管原因分析：5、微觀組織分析：1）對新管樣管、服役至2007年的樣管、此次爆口樣管、爆口附近樣管以及遠離爆口的樣管進行微觀組織檢查與分析，結(jié)果如下：（1）新管樣管的微觀組織為奧氏體和晶內(nèi)孿晶，晶界和晶內(nèi)彌散分布少量細小第二相，晶粒度等級為4.5級。

三、爆管原因分析：5、微觀組織分析：（2）服役到2007年樣管的微觀組織為奧氏體，晶界及晶內(nèi)彌散分布一些第二相，晶界第二相尺寸略大，晶粒度等級為4級，如下圖所示。

三、爆管原因分析：5、微觀組織分析：（3）本次爆管附近樣管以及遠離爆口的樣管微觀組織為奧氏體，晶內(nèi)彌散分布一些第二相，晶界第二相尺寸較大，部分晶界第二相已成鏈狀，晶界粗化，如下圖所示。

三、爆管原因分析：5、微觀組織分析：（4）本次爆口管，在爆口位置及距離爆口500mm處的微觀組織相同，如下圖所示，金相組織為奧氏體和大量晶內(nèi)孿晶，晶內(nèi)及晶界分布較粗大的第二相，組織與其他管樣差別較大。

三、爆管原因分析：6、裂紋及斷口形貌分析：1）對此次失效的爆口樣管的裂紋及斷口形貌進行分析，結(jié)果如下：2）爆口的爆口邊緣存在大量裂紋，裂紋從外壁向內(nèi)壁擴展，裂紋底部呈現(xiàn)尖銳裂紋擴展，如圖7所示。圖8為掃描電鏡下觀察到的斷口形貌圖，裂紋擴展形式主要為沿晶擴展，在斷口上存在氧化腐蝕產(chǎn)物。

斷口附近外壁裂紋

斷口形貌特征三、爆管原因分析：7、物相分析從微觀組織分析結(jié)果可以看出，服役至2007年、服役至2013年、本次爆口、遠離爆口管的樣管晶界、晶內(nèi)均存在析出的第二相（碳化物和σ相）。對析出第二相進行物相組成、含量和結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見表3和下圖裂紋及斷口形貌分析：表3鋼中第二相定量分析結(jié)果（各項占析出相總量的百分數(shù)%）

樣品編號取樣部位運行時間M23C6σTiC2#服役至2007年樣管2007年39.704.0356.266#服役至2013年樣管2013年42.7625.1432.105#遠離爆口的樣管事故發(fā)生(136000h)23.8820.2955.833#本次爆口管事故發(fā)生(136000h)21.0564.2914.65三、爆管原因分析：7、物相分析1）服役到2007年樣品第二相主要為TiC（56.26%），M23C6（39.70%）、以及少量的σ相（4.03%），M23C6、TiC和σ相的形貌見下圖，晶界處分布著條狀M23C6，TiC彌散分布在基體內(nèi)，在晶內(nèi)發(fā)現(xiàn)少量塊狀σ相，σ相尺寸為500nm左右。

(a)晶界處條狀M23C6(b)彌散分布在基體內(nèi)的TiC

(c)晶內(nèi)塊狀σ相

三、爆管原因分析：7、物相分析1）圖11為事故發(fā)生時原始爆管樣品的第二相和電子衍射圖，本次爆口管樣第二相主要為主要為TiC（14.65%）、M23C6（23.88%）和σ相，σ相含量達到了64.29%，并且σ相在晶界處呈鏈狀分布，尺寸粗大達到6μm，晶內(nèi)塊狀σ相的尺寸也達到微米級別。

晶內(nèi)塊狀σ相晶界處鏈狀σ相三、爆管原因分析：8、原因分析：1）通過查閱鍋爐設(shè)計制造、安裝調(diào)試等資料，未發(fā)現(xiàn)異常情況。查閱高溫過熱器運行相關(guān)資料，未發(fā)現(xiàn)高溫過熱器超溫、超壓情況。此高溫過熱器也未進行過修理改造及更換；所有樣管的化學(xué)成分均合格，力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但此次失效的原始爆口樣管的斷后伸長率較低，接近使用標(biāo)準(zhǔn)下限。2）由微觀組織觀察結(jié)果可知，原始首爆口樣管的金相組織為奧氏體和大量晶內(nèi)孿晶，晶內(nèi)及晶界分布較粗大的第二相；物相分析結(jié)果表明，原始爆口管晶內(nèi)、晶界析出第二相（如M23C6相、σ相等），與其他樣管相比，原始爆口樣管中析出的σ相含量最多(達到了64.29%)，σ相的尺寸也達到了6μm，并且在晶界處呈鏈狀分布。

三、爆管原因分析：8、原因分析：3）奧氏體不銹鋼鍋爐管長期高溫服役后，晶界附近的合金元素擴散速度快，在晶界處析出第二相，隨著析出第二相（如M23C6相、σ相等）的增多，對基體變形的阻礙不斷增強（不論是晶內(nèi)滑移還是晶界滑移），第二相的析出阻礙了晶內(nèi)和晶界的變形，使得鍋爐管的塑韌性指標(biāo)下降。若析出相尺寸越大，且在晶界上呈連續(xù)片狀或者在晶內(nèi)呈針狀分布都會對不銹鋼的塑性和韌性造成嚴(yán)重影響。此次失效發(fā)生時的原始首爆口樣管析出σ相數(shù)量最多，且尺寸較大，并且析出相在晶界上呈連續(xù)鏈狀分布，σ相性硬而脆，弱化了晶界，進而造成微觀損傷，最終導(dǎo)致爆管。較大尺寸的σ相聚集在晶界是材料進入高溫蠕變老化后期的明顯標(biāo)志。

三、爆管原因分析：8、原因分析：4）新管樣管、服役至2007年的樣管、此次失效的爆口附近被吹損的樣管以及遠離爆口的樣管的微觀組織表明，隨著高溫服役時間的逐漸延長，在晶內(nèi)彌散析出細小第二相，晶內(nèi)孿晶消失，位錯密度有所減少，且趨呈直線形態(tài)，晶內(nèi)第二相顆粒粗化，晶界第二相數(shù)量增多，部分晶界第二相已成鏈狀，晶界粗化?？梢猿醪脚袛噙@些管樣也進入壽命后期。與原始爆口管樣運行時間相同的管樣，并沒有出現(xiàn)大量有害σ相，由于運行條件一致（運行溫度及運行應(yīng)力），可以判斷，原始首爆口的制造質(zhì)量或者說微觀組織分布存