齐 佶，祖平文

（1.华电新疆发电有限公司，新疆乌鲁木齐 830018；2.华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

作为提高发电机组设备的重要组成部分，再热器具有提高循环热效率和控制汽轮机末级叶片蒸汽温度的作用，根据再热热源的不同，将再热器主要分为对流式、辐射式和半辐射式3 种形式。根据再热器工作的主要原理，其主要布置在烟气温度较高的区域，管壁容易超温以及形成积灰层，在长期的恶劣服役环境下，造成再热器管道破损失效[1-3]。

某电厂1060 MW 燃煤汽轮发电机组，锅炉为东方锅炉集团股份有限公司制造的DG3100/26.15-∏1 型超超临界压力、一次中间再热直流炉，燃烧器前、后墙布置对冲燃烧，锅炉主要设计参数见表1。其中，BMCR 为Boiler Maximum Continue Rate的缩写，即锅炉最大连续蒸发量；BRL 为Boiler Rated Load 的缩写，即锅炉额定负荷。截止此次管道泄漏停机前，该机组已投入使用56 000 多小时，启停23 次。

表1 锅炉部分参数

该发电机组低温再热器由水平段和垂直段两部分组成，垂直段管子与水平段出口管相连，由每两屏水平段合成一屏垂直段。该机组低温再热器管规格主要为Φ57×4.5 mm、Φ50.8×4.5 mm，材料包括SA-210C、SA-213T23、SA-213T91、15Cr－MoG、12Cr1MoVG。本次发生爆管的低温再热器管材料为SA-213T23，爆管泄漏问题造成机组紧急停机。为查明管道泄漏原因，避免类似问题再次发生造成严重影响，对发生泄漏的低温再热器管进行分析。

1 宏观检查

该机组锅炉低温再热器沿炉宽共布置296 屏，横向节距114.3 mm，低温再热器垂直段管子与水平段出口管相连，由每两屏水平段合成一屏垂直段，横向节距228.6 mm，横向屏数148 屏。低再水平段由包墙过热器支撑，垂直出口段通过低再出口集箱悬吊在大板梁上。此次发生爆管的位置位于炉右侧向左侧数第53 屏，炉前至炉后第9 根再热器管，其爆口整体形貌如图1 所示。

图1 爆口的整体形貌

观察发现，失效管道共存在两处明显的纵向开裂，一处长约89 mm，宽约1 mm 的纵向不规则开裂，一处长约80 mm、宽约2.5 mm 的纵向开裂。对裂纹处管道壁厚进行测量检查，发现右侧不规则开裂处壁厚未发生明显减薄，背面存在明显的氧化产物，疑似经历较长时间过热，因此可以判断该处为初始泄漏点（图2）。而左侧开裂处壁厚明显减薄，为典型的管道次生受损减薄后爆裂，与外部的介质吹、磨等因素相关。

图2 失效管道背面有明显的氧化产物

2 微观分析

2.1 显微组织观察

对近爆口、远爆口处分别截取向火侧和背火侧金相试样，观察不同部位的显微组织变化如图2 所示。SA-213T23 为低碳低合金贝氏体型耐热钢，其设计相变温度为570 ℃，本次发生失效的低温再热器在服役过程中，监测温度多次高于570℃，其组织在服役过程中发生明显变化。从显微组织观察发现，发生失效的低温再热器管向火侧发生了不同程度的碳化物弥散析出聚集，由于晶界处的扩散速度较大，部分聚集在晶界处呈链状分布（图3）。显微组织中的贝氏体特征已经基本消失，背火侧组织虽能够观察到贝氏体组织特征，但也有明显的碳化物析出。

图3 泄漏管段显微组织

链状聚集是碳化物分布极不均匀的一种表现。研究表明，呈链状聚集的碳化物主要为Cr 和Mo 元素碳化物，碳化物主要形式为M23C6 和M6C 两种[4]，在弥散分布条件下，能够明显提高钢材的性能，但其呈链状分布聚集在晶界时，降低了晶界的结合强度，能够促进蠕变孔洞的萌生，使材料性能发生恶化[5-8]。采用JMatPro 软件对SA-213T23 耐热钢的高温强度进行计算，结果如图4 所示：随着服役温度的升高，该钢的强度出现明显的下降，因此在服役过程中，向火侧组织中碳化物的析出导致其热强性降低，链状碳化物分布进一步弱化晶界导致材料韧性降低。

图4 SA-213T23 耐热钢高温强度计算结果

2.2 裂纹扩展分析

为进一步分析再热器管失效原因，对初始裂纹扩展形貌进行观察（图5）。可以发现，裂纹主要沿晶界进行扩展，主裂纹在扩展过程中出现多个分支，部分裂纹扩展至晶粒内，并且存在多个裂纹源。

图5 裂纹扩展形貌

分析发现，裂纹萌生位置主要位于存在氧化产物以及晶界处，氧化产物会降低材料性能、使材料存在一定的薄弱区域，而氧化产物的存在与材料的服役环境存在较大关系。同时，晶界处萌生裂纹也证实了链状碳化物析出对晶界有削弱作用。

2.3 氧化层观察

观察裂纹扩展发现存在氧化产物，对管道内壁氧化层进行观察，并测量不同部位的氧化层厚度（图6）。测量结果显示近爆口处向火侧内壁氧化层平均厚度约60.18 μm，背火侧氧化层不明显，远爆口处的向火侧内壁氧化层厚度约47.65 μm，背火侧氧化层厚度约为43.29 μm。

图6 再热器管内壁氧化层

再热器管道腐蚀主要为高温水蒸汽氧化，湿氧条件下，受H+的影响，水蒸汽对低合金管道表现出强氧化性。研究表明，合金钢在高温水蒸气条件下腐蚀的氧化产物主要有Cr2O3、Fe2O3以及FeCr2O4[9]。近爆口处向火侧内壁氧化层厚度明显大于远爆口处氧化层厚度，证明爆口附近发生了较严重的腐蚀，氧化层的绝热作用易引起管道超温，降低管材的寿命[10]。近爆口处背火侧内壁氧化层疑似发生剥落，管道内壁存在明显的蚀坑，其发生剥落的原因可能是达到氧化层临界厚度或启停机过程中的温度变化所造成。

3 结束语

（1）本次分析的SA-213T23 耐热钢低温再热器管段，在经历长时间的高温、高湿环境服役后，组织发生老化，部分区域贝氏体特征基本消失，晶界处存在链状碳化物聚集，服役环境导致再热器管发生腐蚀，管壁内附着明显的氧化产物，在这些因素的共同作用下，造成裂纹萌生，导致管段失效。

（2）针对本次失效问题，建议在低温再热器服役过程中，加强运行温度监测，防止设备超温运行。具有一定服役时长的管段，因腐蚀及吹损等原因会造成管段性能下降，不符合运行要求的要及时进行更换。