鍋爐受熱面爆管原因分析及防范措施

田占軍，宋立斌

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

1 概述

鍋爐“四管爆破”一直是影響機組非計劃停運的重要因素，給發電企業造成很大的經濟損失。因此，在生產工作中，應及時找出受熱面管爆破原因，提出相應預防措施，使運行方式優化、合理。在檢修方面加強監督檢查，改進檢修工藝及設備改造等措施，最大限度減少爆管次數，對機組安全、經濟運行有著極其重要的意義。

華能國際電力股份有限公司上安電廠5號鍋爐為超臨界、變壓、直流、本生型鍋爐，鍋爐型號DG2090/25.4－Ⅱ7型，單爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、平衡通風、露天布置，采用內置式啟動分離器。其額定蒸發量為2 090t/h，高溫過熱器出口壓力25.4MPa，高溫過熱器出口溫度為571℃。2008年6月1日投運至今，累計運行時間約為28 000h。該機組在2013年發生鍋爐高溫過熱器爆管，導致機組停運，影響了機組的安全、經濟運行。

2 爆管原因分析

泄漏位置位于高溫過熱器管入口段右數第17屏后數第8根，造成周邊管屏變形或吹損。初始爆口位置示意見圖1。距離頂棚2m，爆口所在管段材質為SA213－TP347H。在頂棚上部有兩道異種鋼焊口，焊口下部材質為SA213－TP347H，上部材質為SA213－T91。

圖1 初始爆口位置示意

2.1 外觀檢測

管子在爆破處完全斷開，呈撕裂狀，管子嚴重扭曲變形，外表面有撞擊痕跡。爆口邊緣多數位置為撕裂斷口，斷口邊緣減薄不明顯，有部分斷口在爆破過程中飛出，爆開斷口不完整，本是直管的管段已嚴重彎曲，爆口內外表面光滑，無明顯氧化皮。除爆口位置外，管徑沒有明顯脹粗，在爆口中間位置的邊緣，內外壁有少量樹皮紋，最長約為70mm見圖2、圖3。分析認為爆口有過熱特征，過熱較嚴重的向火側在爆破過程已飛出。

圖2 爆口宏觀形貌

圖3 爆口邊緣撕裂斷口

2.2 現場檢查

對高溫過熱器入口、出口屏1 400個彎頭全部進行了氧化皮堆積測量，沒有發現明顯的氧化物堆積。對高溫過熱器入口、出口聯箱兩側及中間部位進行內窺鏡檢查，發現高溫過熱器入口聯箱中間部分（泄漏管所在管屏附近）至少4處有異物，其中，2處疑似鋼板，尺寸大于4倍管孔以上，另2處為薄片異物，位于管孔處。

2.3 試驗分析

對該高溫過熱器爆管（右數第17屏后數第8根入口段）進行化學成分分析、金相組織分析、力學性能檢驗，取樣示意見圖4。

圖4 取樣位置示意

另外對有可能被堵塞的右數第17、18、19屏相同位置管子進行割管檢查。

2.3.1 化學成分分析

對爆破管子進行化學成分分析，分析結果表明試樣符合標準［1］對TP347H的要求，具體分析結果見表1。

表1 試樣的化學成分分析結果 %

2.3.2 金相組織分析

從金相組織看，爆管所在管段金相組織均為奧氏體，孿晶晶界清晰可見，第2相在晶內、晶界彌散分布，晶界析出第2相數量較多，尺寸較大，離爆口越近晶界第2相析出越多；爆口中心（JX1）樹皮裂紋尖端圓鈍，但沿晶擴展見圖5；爆口邊緣（JX2）撕裂紋沿晶擴展見圖6；該管段內壁殘余氧化皮約為0.05mm。

圖5 JX1金相組織

圖6 JX2金相組織

爆口下部，距爆口下邊緣250mm（JX3）金相組織為奧氏體，孿晶晶界清晰可見，第2相在晶內、晶界彌散分布，見圖7，內壁殘余氧化皮厚度0.056 mm。另外右數第17、18、19屏相同位置割管金相組織輕中度老化，孿晶晶界減少、隱約可見，第2相在晶界析出，聚集，但第2相的尺寸與爆口邊緣比較，爆口邊緣析出的第2相尺寸明顯增大。

圖7 JX3金相組織

對爆口邊緣（JX2）金相試樣進行掃描電鏡分析，通過觀察，金相照片晶界上的黑點在掃描電鏡照片上顯示的是析出物脫落后留下的空洞，部分位置析出物仍存在，主要是含鈮（Nb）的析出相，該析出相不含鐵（Fe）、鉻（Cr）。

2.3.3 力學性能檢驗

對管材進行拉伸試驗，爆口邊緣向火側抗拉強度和斷后伸長率有所下降。

2.4 檢測結果分析

a.爆口邊緣粗鈍，有縱向樹皮紋，管子無明顯脹粗和減薄，具有長時過熱特征。

b.高溫過熱器入口聯箱內發現的異物正好在爆管所在管子的入口處，認為管子被異物堵塞，造成工質流量減少，導致管子壁溫升高，組織性能劣化，在高溫過熱器入口段，煙溫較高區域發生爆管。

c.爆管邊緣的金相組織析出大量含鈮的析出物，離爆口越近，晶界第2相析出越多，尺寸越大，在縱向樹皮紋附近的析出物最多，在部分三角晶界處也有粗大的第2相，第2相的析出阻礙了晶內與晶界的變形，使材料的塑性和韌性較原始狀態有所降低，這與爆口邊緣抗拉強度和斷后伸長率的下降是對應的。

d.入口聯箱中的異物是運動的，且尺寸較大，很有可能曾經堵塞附近管子，在對附近管子進行割管檢查發現，部分管子的金相組織奧氏體孿晶晶界減少，隱約可見，但尺寸較爆管邊緣的小，強度和韌性變化不明顯。

e.奧氏體不銹鋼在超溫情況下，組織會加速老化，主要特征有形態的變化，即滑移線、孿晶、位錯等變化；第2相析出數量的增多，顆粒粗化等變化。從試驗結果看，第2相的析出數量、分布位置和顆粒大小、對不銹鋼的性能影響更為明顯。爆口附近的金相組織雖然孿晶晶界清晰可見，但在晶界及三角晶界上析出的含鈮的第2相粒子，尺寸較大，對性能劣化更為明顯；而附近可能存在堵塞的管子雖然孿晶晶界減少甚至消失，但第2相粒子尺寸偏小，性能下降不明顯。

分析認為，鍋爐高溫過熱器發生爆管的原因是由于入口聯箱存在異物堵塞，造成工質流量減少，壁溫升高，管子長期在超溫條件下運行，導致在奧氏體晶界上析出粗化的含鈮第2相粒子，導致其組織劣化，性能下降，在煙溫較高區域內發生爆管。

3 防范措施

a.對管子進行割管理化分析，包括其他位置T91和爐膛內TP347H管段，檢查是否存在組織性能劣化現象，必要時進行更換。

b.對相鄰管子進行割管理化分析，對比組織性能，以判斷是否存在普遍劣化現象。

c.優化燃燒調整，合理配風，防止出現風速過高，熱負荷過分集中，火焰偏斜、煙溫偏差大等問題，導致磨損增加、結焦、高溫腐蝕和鍋爐受熱面超溫等事件的發生，并抓好運行中汽水品質的監督。

d.嚴格執行檢修工藝要求，提高檢修質量，防止異物落入管內，確保不留事故隱患。

e.利用大、小修對管子進行全面防磨、防爆檢查，觀察管壁顏色變化、磨損和脹粗等情況，對過熱器管子進行管徑測量，明顯脹粗的管子要及時調換，必要時還應指定幾根管子作為監督段，定期割取試樣，進行機械性能和金相組織檢查。

4 結束語

鍋爐受熱面管發生泄漏問題后，進行深入的分析研究，對鍋爐受熱面管壁進行了徹底檢修排查，并結合現場實際采取了相應的預防措施，經過一段時間治理，在機組備用期間對鍋爐受熱面管進行檢查，情況良好，取得了顯著的效果，大大提高了鍋爐的安全可靠性。

［1］ ASME SA－213/SA－213M－2010，鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子［S］.中文版.