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摘要：某300MW电站锅炉前屏再热器流体冷却间隔管运行43000小时产生裂纹导致爆管。通过扫描电镜、金相、力学性能分析等试验对爆管原因进行了分析。结果表明管材金相组织石墨化现象明显，说明管材长期处于过热运行状态，导致金属原子活动能力的增加，钢中渗碳体不断分解，致使材料球化速度加快，机械性能不断下降。结合锅炉的运行参数及该部位管子材质特性确定前屏再热器流体冷却间隔管选材级别较低，长期高温运行导致管材性能降低，最终爆管。
关键词：前屏再热器 过热 石墨化 爆管
Abstract：The cooling space tube in front panel reheater of a 300MW power plant blows off after working for 43000 hours.Analysing its cause by SEM，metallographic phase and physical property test，the result shows that the tube has been seriously graphitized，which reveals it’s been exposed in overheating circumstance for a long time and finally resulted in the increase of atoms movements，cementite decomposed，the speed of spheroidization increases，physical property falls down.Combined with the working parameter of the boiler and the feature of tube，it is believed the low rank of the material and overheating was the reason for the blow off.
Key Words：front panel reheater，overheating，graphitizing，blow off
某电厂1号锅炉为亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉，采用平衡通风、直流式燃烧器、四角切圆燃烧方式，燃用褐煤。运行过程中前屏再热器流体冷却间隔管背弧处产生裂纹导致泄露。流体冷却间隔管结构的作用是为了保持过热器和再热器部件的横向节距并防止晃动[1]。泄露部位管子材质为20G，规格为Φ38×5.5mm，已累计运行43000h。20G是GB5310-2008中的钢号，该钢含碳量低，有较佳塑性和韧性，冷热成型和焊接性能良好[2]。主要用来制造高压锅炉过热器管、再热器管等[3]。20G管子母材及焊接接头断裂事故是目前电厂锅炉运行中常见的事故之一，研究其断裂原因具有重要意义。
1 理化检验
1.1 宏观检查
经测量爆口长为107mm，爆口最大开口宽度为17.2 mm，最大厚度为4.8mm，爆口开 裂较小，边缘减薄不多，呈现不锋利的钝边，爆口附近有多条较长的平行于爆口的轴向裂纹，爆口段管径胀粗不明显，爆口外观见图1。同时取屏式过热器流体冷却间隔管进行对比分析，如图2所示。
1.3 金相试验检查
采用PTI2000型金相显微镜对前屏再流体冷却间隔管弯管处爆口部位和屏过流体冷却间隔管弯管处进行金相检验，同时在远离弯管处向火侧直管段各取一点进行金相组织对比试验。20G属亚共析钢，其热轧或正火后的组织一般为铁素体和珠光体[6]。金相试验结果显示爆口附近金相组织为铁素体+碳化物，根据DL/T 674-1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》及DL/T 786-2001《碳钢石墨化检验及评级标准》，前屏再流体冷却间隔管弯管爆口处金相组织球化级别以达到4-5级，石墨化2级。屏过流体冷却间隔管弯管处金相组织球化达3-4级，石墨化2级。
远离弯管的向火侧直管段处二者金相组织均为球化3～4级，石墨化1～2级。
金相取样位置见图2。
图3 屏再a点（远离弯头直管段）x200
球化级别：3～4级/石墨化级别：1～2级
图5 屏再c点（外弧/爆口处）x200
球化级别：5级/石墨化级别：2级
图6 屏过d点（外弧）x200
球化级别：4级/石墨化级别：1级
1.4 扫描电镜微观检查
为了更清楚的分析爆口部位材料组织，对其进行扫描电镜观察。爆口区域组织形貌见图7。图中显示所选区域有黑色球状物质。选取图7中Spot1、Spot2进行能谱分析，结果如图8所示。说明黑色球状物质为石墨，在所选取的300×400μm2面积内共有7个直径约为20～30μm的石墨。
石墨化是碳钢在长期高温作用下，碳钢中珠光体内渗碳体自行分解为铁和游离的碳，碳的聚集形成石墨[7]。可用下式表示
Fe3C 3Fe+C(石墨)
石墨最初以细微点状出现，逐渐聚集成越来越粗的颗粒，析出的石墨一般呈球状，石墨本身的强度和塑性都几乎为零，就好像在钢种出现了孔洞，使强度和塑性下降，冲击韧性显著降低。特别危险的是，石墨呈链状分布时，力学性能急剧下降，甚至可以看到宏观裂纹，导致钢材破坏。
图7 扫描电镜微观形貌
2 分析与讨论
20G在530℃以下运行时具有较好的抗氧化性能，但长期在450℃以上运行会发生珠光体球化和石墨化[8]。通过金相试验观察到前屏再冷却流体间隔管管材金相组织球化，并出现明显石墨化现象，表明其长期处于过热运行状态，金属原子活动能力的增加，钢中渗碳体不断分解，致使材料球化速度加快，管材的机械性能下降，最终致使管材老化。相对直管来说，弯管的折弯处所受应力相对较大，更容易发生爆管泄漏现象，导致后屏再流体冷却间隔管背弧处开裂。作为对比的屏过冷却流体间隔管金相组织球化（3～4级），表明该管段也存在过热的问题。
图8 能谱分析
屏再冷却流体间隔管入口工质温度不超过360℃，设计出口工质温度为444℃，温升级88℃左右。而根据漏泄后检测珠光体球化4-5级的情况，运行中的实际温度已超过480℃。根据拉尔森—米列尔公式[9]
T1（C+lgτ1）=T2（C+lgτ2）
按20G钢材的氧化温度为480℃、运行43000小时后故障核算，该管内工质温度长时间保持在488℃左右。
超温主要由两个原因造成。一是再热汽温可能偏低。再热汽温低，火焰中心相对保持较高，这样会造成屏区的烟气温度远高于设计值。同时由于流体冷却间隔管长度达到40米，吸热量远远超过设计值，这样造成了工质温升增加较多，最终超过480℃。对于屏过流体冷却间隔管，产生超温的原因与流体冷却间隔管相同。
出现超温的另外一个原因可能该间隔管内的工质流量偏低，使管内工质温升远高于设计值，因此造成该管炉外部分出现过热现象。
3 结论及建议
综上所述，该锅炉前屏再流体冷却间隔管长期过热是造成爆管的直接原因。导致过热的根本原因则是因为锅炉运行中存在再热汽温偏低、火焰中心偏高及冷却流体间隔管长度过长吸热量偏造成的。
应将前屏再流体冷却间隔管、屏过流体冷却间隔管炉外管管材由20G材料升级为12Cr1MoVG，提高耐热温度；并对同样存在超温风险的炉内部分的前屏再流体冷却间隔管、屏过流体冷却间隔管进行逐批更换；最后还应尽快落实再热器提温改造方案，避免采用提高火焰中心的方法调整再热汽温。
参考文献：
[1] 温志华，尚海军，杨行炳. 超临界锅炉屏式过热器间隔管爆管原因分析及对策[J].热力发电，2010,01.
[2] 杨晓，夏申琳，李雪峰. 20G管道用钢失效原因[J].物理测试，2015,33(2),44.
[3] 谢庄元，苏辉，陈慧民等. 失效20G高压炉管热应力数值模拟[J].当代化工，2011,40(11)，11.
[4] 潘全喜，王均杰，陈文静等. 20G与P91异种金属焊接接头组织及其性能分析[J].热加工工艺，2015,08.
[5] GB5310-2008高压锅炉用无缝钢管.
[6] 史伟，杨莉，张君等. 20G钢石墨化成因及其对力学性能的影响[J].热处理技术与装备，2013,34（3）.
[7] 张义伟，袁晓敏，郑臻. 控制冷却工艺对20G锅炉钢显微组织的影响[J].金属热处理，2014,39（2）.
[8] 赵林松，李明，赵彦芬等. 某热电厂锅炉内20G省煤器管子泄露事故分析[J].电力安全技术，2013,11.
[9] 苏涛，张仁海. 火电厂锅炉受热面失效的原因分析及防治措施[J].河北电力技术，2015, 34.
[10] 徐立韡. 300MW级锅炉再热汽温低及再热器增容改造的研究.
论文作者:王翱,房爱伟
论文发表刊物:《电力设备》2016年第15期
论文发表时间:2016/11/3
标签：金相论文; 流体论文; 间隔论文; 石墨论文; 锅炉论文; 工质论文; 组织论文; 《电力设备》2016年第15期论文;