某电厂#2锅炉屏式过热器开裂泄漏原因分析

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法律顾问：张友全 律师

正文：

某电厂#2锅炉屏式过热器开裂泄漏原因分析

1、 前言

某厂#2 锅炉系由某锅炉厂 采用美国燃烧工程公司 (CE) 的引进技术设计和制造的型号为 HG-1020/18.58-YM22 的亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉。采用平衡通风、四角切圆燃烧方式， 紧身封闭，固态排渣，全钢架悬吊结构汽包炉，燃用烟煤，整体呈 “π”型布置。

#2 锅炉于 2005 年 9 月 21 日投产， 已 累计运行约 120000h 。

锅炉的主要技术参数见表 1 。

表 1  #1 锅炉主要技术参数

#2 锅炉屏式过热器在炉膛上方折焰角前沿宽度方向布置 20 屏，屏式过热器最外圈下部钢管材质为 TP347H 、规格为 Φ60×10.0mm ； U 型夹屏管材质为 TP347H 、规格为 Φ54×8.0mm 。

2019 年， #2 锅炉在 检修过程中 发现屏式过热器右向左数第11屏外 1 圈内弯和第 14 屏的 U 型夹屏管内弯位置发生开裂泄漏。进一步扩检又发现第7屏外 1 圈（出口）、第 8 屏夹屏管、第 10 屏外 1 圈（入口）、第 12 屏外 1 圈（入口）、第 13 屏外 1 圈（出口）、第 14 屏夹屏管、第 16 排夹屏管的弯管部位也存在裂纹。 为了找出屏式过热器钢管开裂原因，确保机组的安全稳定运行， 对 #2 锅 炉开裂的屏式过热器管段进行取样试验分析。

2、 引用标准和文件

DL/T 438—2016 火力发电厂金属技术监督规程

DL/T 939—2016 火力发电厂锅炉受热面管监督技术导则

DL/T 884—2019 火电厂金相检验与评定技术导则

GB/T 11170—2008 不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)

GB/T 228.1—2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法

GB/T 5310—2017 高压锅炉用无缝钢管

DL/T 1422—2016 18Cr-8Ni系列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化评级标准

GB/T 10561—2005 钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法

GB/T 6394—2017 金属平均晶粒度测定方法

GB/T 231.1—2018 金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法

3、 试验 内容及结果

3.1  宏观检查

对开裂的屏式过热器管段宏观形貌进行检查，如图 1~ 图2 所示。可以看出，屏式过热器钢管的 开裂部位主要位于最外圈TP347H管段的 90 ℃弯管的内弧侧和最内圈U型夹屏管的内弧侧 ， 裂口为2条或多条裂纹沿 钢管周向平行分布，长度为 1/3 ~ 1/2周长；裂口 开口细小且平直，裂口处及附近钢管未见明显减薄、胀粗、机械损伤、腐蚀损伤及严重氧化皮等缺陷。直管段未见开裂缺陷。

将屏式过热器弯管部位的裂纹剖开，以观察其断口形貌，如图3所示。可以看出，钢管的原始断口区域整体氧化严重，但在局部区域可以观察到较为明显的“海滩状”疲劳辉纹形貌。

(a) 整体

(b) 开裂处

图 1   开裂屏式过热器最外圈管宏观形貌

( a ) 整体

( b ) 开裂处

图 2    开裂的屏式过热器夹屏管宏观形貌

(a)  宏观形貌

（b）微距形貌

图 3    开裂的屏式过热器管断口形貌

3.2  断口微区分析

利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析仪对断口微区的形貌及可能存在的腐蚀性产物进行分析。图 4 所示为断口微区 SEM 形貌，可以看出在断口的扩展区可以观察到较为清晰的疲劳条带；人工撕裂区则呈现典型的“韧窝状”韧性断裂特征。

（a）扩展区

（b）人工撕裂区

图 4    屏式过热器管 断口SEM 形貌

图5所示为断口各区域的能谱分析结果。可以看出，断口表面沉积物主要为 Fe 、 Cr 、 Ni 、 O 和 S 等元素，未见奥氏体钢敏感的 Cl 元素等卤族元素存在。

（a） 检测部位

（b）谱图

图 5    屏式过热器管 断口EDS谱图

3.3  化学成分分析

用 SPECTROMAXx 型台式直读光谱仪对泄漏屏式过热器 TP347H 管段的金属基体进行成分分析，分析结果见表 2 。可以看出，屏式过热器钢管的主要合金成分与标准对 T P347H 材质的要求相一致。

  表 2   屏式过热器 T P347H 钢管化学成分检测结果

3.4  金相分析

对开裂的屏式过热器管的各部位取样进行金相分析。

图 6~ 图8 所示为屏式过热器最外圈钢管各部位的金相组织。 开裂弯管的纵向截面宏观金相显示，开裂处为多条裂纹平行分布，自外壁向内壁扩展。钢管的组织为奥氏体+晶界析出相，局部伴生有孪晶。晶内存在较多稍粗化的第二相 ， 晶界上有较多明显粗化的第二相，一些呈链状分布，处于4级重度老化状态；组织中未见大量滑移线存在。 裂口 处氧化严重，裂纹呈平直状的穿晶扩展形式分布，未见“树枝状”的分叉扩展形貌及晶界开裂特征。钢管 内壁未见严重氧化皮 、晶间裂纹及应力腐蚀裂纹；组织中未见严重夹杂物，晶粒度为7 ~ 8级，见图 6 。 对应的未开裂弯管处的组织状态与开裂弯管处基本一致，见图7。远离开裂弯管处的直管部位的金相组织状态与弯管处的组织基本一致，见图 8 。

（a） 纵截面宏观金相

（ b ） 主裂口

（ c ） 裂纹尖端

（ d ） 组织

（ e ） 抛光态

（ f ）内壁

图 6    最外圈钢管管开裂弯管处的金相组织

（a） 外壁

（b）组织

图 7    最外圈钢管未开裂弯管处的金相组织

（ a ） 外壁

（ b ） 组织

图 8    最外圈钢管直管部位的金相组织

图 9 ~ 图10 所示为屏式过热器底部 U 型夹屏管各部位的金相组织。 可以看出，夹屏管开裂弯管的纵向截面宏观金相显示，开裂处为多条裂纹平行分布，自外壁向内壁扩展。钢管的组织为奥氏体+晶界析出相，局部伴生有孪晶；晶粒的晶内存在较多粗化的第二相 ， 晶界上有较多明显粗化的第二相，一些呈链状分布，处于4级重度老化状态；组织中未见大量滑移线存在。 裂口 处氧化严重，裂纹整体呈平直状的穿晶扩展形式分布，未见“树枝状”的分叉穿晶扩展形貌及沿晶开裂特征。钢管 内壁未见严重氧化皮 、晶间裂纹及应力腐蚀裂纹；组织中未见严重夹杂物，晶粒度为7 ~ 8级，见图 9 。 远离开裂弯管处的直管部位的金相组织状态与开裂弯管处的组织基本一致，见图10。

（a）宏观金相

（b）主裂 口

（ c ）内壁

（d）组织 100X

（e）组织 500X

图 9    U型夹屏 管开裂弯管处金相组织

（a）内壁

（b）外壁

（c）组织

图 10    U型夹屏 管直管部位金相组织

利用能谱分析技术（EDS）对开裂的 TP347H 弯管的组织中特别是晶界处的析出物进行分析，结果如图 11 所示。可以看出，在晶界上析出的第二相中含有大量的主要成分为 Fe-Cr 的金属间化合物，即脆性的σ 相。

（a）测试部位

（b）谱图

图 11    开裂弯管组织析出物EDS分析结果

3.5  力学性能测试

对开裂的屏式过热器 最外圈TP347H管段及最内圈的 U 型夹屏 管 TP347H管段 取样进行常温拉伸性能测试，对开裂弯管部位及直管部位进行硬度测试， 结果见表 3 。可以看出， T P347H 钢管的屈服强度、抗拉强度及弯管的硬度等均符合标准要求，但其断后伸长率已下降至低于标准要求最低限的水平。

表 3   屏式过热器管 力学性能测试结果

4、综合分析评价

从开裂形貌分析，屏式过热器钢管的 开裂部位尽管氧化严重，但断口局部区域仍可以观察到较为明显的“海滩状”疲劳辉纹形貌特征。断口微区的形貌显示，在扩展区可以观察到较为清晰的疲劳条带。断口微区的能谱分析结果显示，断口上并未有 Cl 元素的存在。

从化学成分分析，屏式过热器钢管的主要合金成分与标准对 T P347H 材质的要求相一致，可以排除材质错用的情况。

从金相组织分析， 开裂弯管的纵向截面宏观金相显示为多条裂纹平行分布，自外壁向内壁扩展。钢管的组织已发生重度老化；裂纹呈平直状的穿晶扩展形式分布，未见“树枝状”分叉穿晶扩展形貌及沿晶开裂特征，说明不存在应力腐蚀开裂及敏化引发的晶间腐蚀开裂的情况。此外，对应的未开裂弯管处及直管部位的组织状态与开裂弯管处基本一致，未见大量滑移线的存在，说明 TP347H 弯管在制造过程中的弯制加工后进行了有效的固溶处理。组织中析出物的能谱分析结果显示，析出相中存在很大比例的脆性σ 相。

从力学性能分析，屏式过热器 TP347H管段的 强度及弯管的硬度等均符合标准要求，但其断后伸长率已下降至低于标准要求。

TP347H作为电站锅炉常用的高温抗蠕变材料，其本身具有优良的韧性及塑性。但使用经验表明，其在 520 ℃ ~ 820℃温度 下长期加热会大量析出 σ脆性相。该机组已累计运行超过120000小时，且屏式过热器管的运行温度又介于易于形成脆性相的温度区间，势必会造成组织中大量脆性相的析出进而弱化材料的塑性和韧性，使得材料发生脆化。

5、 结论及建议

综上分析认为， 本次 #2 锅炉屏式过热器开裂泄漏的主要原因为：屏式过热器 的TP347H管材在长期高温环境下使用已发生严重老化，使得材料的脆性增大、塑性和韧性不足、疲劳抗力下降。 锅炉运行过程中进行的反复的起停炉及负荷变化操作过，会在屏式过热器管屏底部弯管部位形成交变的 膨胀 - 收缩载荷 作用，导致在应力集中且已发生组织脆化的弯管内弧侧产生疲劳开裂进而引发钢管的泄漏。

建议，首先应排查其他同类型受热面管是否存在类似开裂现象，发现问题及时处理；其次， 鉴于屏式过热器TP347H管段的材质已严重老化，造成材料脆化及塑性不足，且已有多屏的多根 TP347H 弯管发生开裂的情况，应至少对屏式过热器各屏的最外圈及 U 型夹屏管的弯管进行彻底更换 ；再者，应优化并严格执行运行制度，避免频繁起停及短时、大幅值的负荷变化等异常工况的频繁出现，以避免类似开裂泄漏再次发生。

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