0. 引言

锅炉过热器是将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件,可以减少汽轮机排汽中的含水率。在服役过程中,过热器管壁温度可能长期处于设计服役温度以上但低于材料下临界转变温度,这使得管壁材料性能劣化,管径胀粗,易在管壁最薄弱部位发生爆裂。研究[1-2]表明,过热器爆管事故已成为影响发电机组安全运行的主要因素,由此引起的非计划停运次数占比达40%以上。引起过热器爆管的原因众多,包括氧化腐蚀[2]、管壁疲劳[3]、短时或长时超温过热[4-5]、焊缝开裂、微动磨损等[2-5],其中长时过热导致的蠕变断裂最为常见[5-7]。

T91（9Cr-1Mo-V-Nb）钢是在600~650 ℃温度区间使用的新汽水管道钢,属于马氏体耐热钢[8],在火电厂过热器管等重要部件上得到广泛使用[9-10]。然而,在热电厂实际运行监督过程中常发现过热器中的T91钢部件出现组织异常和硬度低的问题[11],这将导致该部件抗蠕变断裂能力下降[12]。某公司余热锅炉过热器用T91钢管在服役79 583 h后发生爆管,爆口位于过热器中心靠下位置。在锅炉最大连续蒸发量的工况条件下,过热器的运行参数为烟气进口温度809.0 ℃,出口温度716.0 ℃,平均流速12.3 m·s−1,工作压力18.5 MPa,蒸汽温度543.0 ℃,蒸发量1 275 t·h−1。根据GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》,该T91钢管采用冷弯工艺制成,规格为外径51 mm、壁厚7 mm。为了找到该钢管爆管原因,保证热电厂锅炉的安全运行,作者对其进行了失效分析。

1. 理化检验及结果

1.1 化学成分

在爆管的爆口处切取圆柱状试样,采用ARL3460型直读光谱仪分析化学成分。由表1可知,爆管的化学成分符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》和ASME SA-213 Standard specification for seamless ferritic and austenitic alloy-steel boiler superheater, and heat-exchanger tubes中T91钢的成分要求。

1.2 宏观形貌

由图1可知,爆管T91钢管存在长13 cm、宽7 cm的大开口,爆口张开较大呈喇叭状,钢管外壁出现明显呈深黑色或褐色的片层状氧化皮,氧化皮较厚并沿轴向平行开裂,这说明管体经历了长时间的过热过程。爆口的边缘管壁明显减薄,内表面光滑,未发现沿管道方向的纵向裂纹；除爆口部位,其他部位未见胀粗；爆口处的内外表面均出现呈白色或黄色的菜花状沉积物和明显腐蚀迹象；远离爆口处的管壁未出现变薄现象。这些现象均说明爆管经历了短时过热过程。

图 1 T91钢爆管的宏观形貌

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

采用直接测量方法测定爆管外径,从爆口位置沿轴向向两端等距测试,距爆口相同距离处沿周向测5个点取平均值,并计算胀粗率。由表2可知,过热器爆管的近爆口管段均存在蠕变胀粗现象,在距爆口10~200 mm处的胀粗率均超过DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》的换管要求（胀粗率为2.5%）。

1.3 显微组织

分别在未服役的同批次T91钢管和发生爆管的T91钢管的爆口断面处、邻近爆口处、远离爆口处沿管壁径向方向制取金相试样,经粗磨、抛光、体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀后,采用OlympusGX71型光学显微镜观察显微组织。由图2可知：未服役同批次T91钢管的组织为回火板条马氏体；爆管T91钢管爆口断面处组织为拉长铁素体+少量马氏体+碳化物,近爆口处组织表现出明显的塑性变形特征,远离爆口处存在大量铁素体和碳化物,对比DL/T 884―2019《火电厂金相检验与评定技术导则》可知组织老化达5级。