火力發(fā)電廠末級過熱器短期超溫失效分析及預(yù)防措施

張海軍，田永財

（1.國家電投集團(tuán)寧夏能源鋁業(yè)有限公司臨河發(fā)電分公司，銀川　751400；2.寧夏英力特化工股份有限公司熱電分公司，寧夏　石嘴山　753600）

0　引言

發(fā)電廠鍋爐受熱面爆管嚴(yán)重影響著電力安全生產(chǎn)，制約著企業(yè)發(fā)展，并且呈逐年增高的趨勢。尤其超溫引起的爆管，在爆管事故中占比較高。短期超溫爆管是一種常見的受熱面失效類型，原因往往是管內(nèi)工質(zhì)傳熱短時間惡化，管壁溫度急劇上升，金屬性抗拉強(qiáng)度隨之下降，最終導(dǎo)致爆管。研究此類爆管的機(jī)理和特征有助于提出針對性的預(yù)防措施，從而最大程度地避免受熱面短期超溫爆管，提升機(jī)組的可靠性。

1　設(shè)備概況

某發(fā)電廠鍋爐系超臨界壓力、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、π型布置的直流、褐煤鍋爐。鍋爐采用墻式切圓方式燃燒，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上。該鍋爐在運行中末級過熱器管突然發(fā)生爆管，隨即緊急停爐。該過熱器管材質(zhì)為SA213-T91，規(guī)格為Φ50 mm×10 mm，為查明此次爆管原因，對泄漏管段進(jìn)行了全面檢驗、分析。

2　檢查分析

2.1　宏觀檢查及幾何尺寸測量

為詳細(xì)了解管樣情況，將爆管管段切割為1與2號管樣，見圖1。1號管樣為爆管樣，爆口位于向火側(cè)，呈喇叭狀，管壁減薄明顯，爆口邊緣鋒利，與文獻(xiàn)[1-3]研究一致。張口寬約150 mm，外壁有氧化皮和紅褐色銹層，且存在縱向裂紋，爆口右側(cè)脹粗明顯。2號管樣是爆口臨近部位管樣，長約700 mm，彎曲是因為爆管后受力引起的。

圖1　爆管管段宏觀形貌

對爆管管樣外徑進(jìn)行測量，管樣截面編號見圖1（c），測量結(jié)果見表1。由測量結(jié)果可知：1號管樣爆口處最大蠕變應(yīng)變?yōu)?00.32%，表明1號管樣最大蠕變應(yīng)變明顯超出DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》[4]中對T91類管子外徑蠕變應(yīng)變不大于1.2%的規(guī)定。1號管樣向火側(cè)爆口邊緣處最小壁厚為2.33 mm，壁厚減薄率為76.7%，其余位置壁厚值在7.04～10.91 mm之間，由上可知，1號管樣爆口處明顯減薄，不滿足DL/T 939-2005《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗技術(shù)導(dǎo)則》[5]規(guī)定的高溫段過熱器管壁厚減薄量不應(yīng)超過設(shè)計壁厚的20%的要求。綜上所述，1號管樣發(fā)生了明顯蠕脹。

2.2　金相分析

對爆管管樣取金相樣經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕后，在金相顯微鏡下進(jìn)行氧化皮形貌和顯微組織形貌觀察，分析結(jié)果見表2，顯微組織照片見圖2。

表1　1號管段幾何尺寸測量結(jié)果

表2　1號管樣金相樣取樣情況、分析結(jié)果

2.3　硬度試驗

對各金相樣按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度實驗第1部分：試驗方法》[7]進(jìn)行維氏硬度試驗，試驗結(jié)果見表3。由表可知：1號管樣爆口處的硬度值均高于ASME SA-213/SA213M《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》[8]對新鋼管的硬度值要求，尤其是爆口邊緣處的硬度值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求，這是由于汽水噴射在了處于相變溫度以上的爆管處管子，猶如發(fā)生了不同程度的淬火所致。

2.4　拉伸性能試驗

由于1號管樣已爆裂，因此從2號管樣的向火側(cè)和背火側(cè)各取1個試樣，按照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》[9]進(jìn)行室溫拉伸試驗，試驗結(jié)果見表4。由表4可知：2號管樣T91管段向火側(cè)的斷后伸長率以及背火側(cè)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度均低于文獻(xiàn)[8]對新鋼管要求下限；且其向火側(cè)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于背火側(cè)，斷后延伸率遠(yuǎn)低于背火側(cè)，這與管子的組織相變有關(guān)。

圖2　顯微組織形貌

表3　金相樣硬度值檢測結(jié)果

表4　拉伸性能試驗結(jié)果

2.5　化學(xué)元素分析

對1號管樣進(jìn)行了X射線能譜半定量分析，分析結(jié)果見表5。由表5可知：所檢管樣合金元素符合文獻(xiàn)[8]對T91的要求。

表5　主要合金成份分析結(jié)果%

2.6　掃描電鏡分析

在SEM（掃描電子顯微鏡）下對1號管樣爆口進(jìn)行觀察。發(fā)現(xiàn)爆口表面有較厚垢層，清洗前后爆口表面形貌見圖3所示。由圖3可知，爆口為準(zhǔn)解理+孔洞形貌，未見蠕變孔洞，斷口存在的孔洞是大變形情況下晶間產(chǎn)生的孔洞。

3　分析探討

管樣脹粗明顯，爆口呈喇叭形，其邊緣鋒利。爆口處組織為相變組織，呈帶狀分布，爆口附近可見大量孔洞及微裂紋，孔洞為大塑性變形下形成的孔洞，爆口呈準(zhǔn)解理形貌，爆口處硬度值明顯超出標(biāo)準(zhǔn)要求，且爆口附近的硬度值不均勻，局部硬度值遠(yuǎn)高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求上限，爆口附近力學(xué)性能異常，以上現(xiàn)象均為典型的短時過熱爆管的特征。表明末級過熱器管在運行過程中，冷卻條件惡化、干燒，使管壁溫度短期內(nèi)突然升高，溫度達(dá)到臨界點以上，鋼的抗拉強(qiáng)度急劇下降，管子應(yīng)力超過屈服極限，產(chǎn)生剪切斷裂而爆管，由于短時超溫的管壁溫度高于Ac3（上臨界點溫度）[10]，因此爆口邊緣處存在完全相變組織，而處于相變溫度以上的管子，在爆管時的汽水噴射猶如不同程度的淬火，使得爆口周圍管材的硬度值明顯增加[11]。因此，該鍋爐末級過熱器爆管是短時過熱所致的短期超溫爆管。

圖3　爆口表面形貌

4　預(yù)防短期超溫爆管的措施

（1）建議每次檢修期間對管屏進(jìn)行宏觀檢查、管徑測量并進(jìn)一步取樣進(jìn)行比對分析，實行管子全壽命期動態(tài)管理。同時加大氧化皮檢測力度，防止內(nèi)部氧化物堆積造成管子短期過熱從而導(dǎo)致爆管。

（2）鍋爐運行中嚴(yán)格控制蒸汽溫度和金屬壁溫，嚴(yán)禁超溫運行[12]，最大程度地抑制氧化皮產(chǎn)生，改善鍋爐燃燒和調(diào)整運行控制技術(shù)，增加溫度監(jiān)測點[13]。完善考核制度，將管屏溫度納入小指標(biāo)考核體系[14]。

（3）建立受熱面管理檔案，對受熱面管失效原因、次數(shù)、位置等信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，對管子壽命、泄露風(fēng)險進(jìn)行評估和預(yù)測。在設(shè)計制造、安裝、檢修、運行環(huán)節(jié)采取提高質(zhì)量和預(yù)防性措施[15]，防止發(fā)生爆管，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

5　結(jié)語

鍋爐受熱面爆管嚴(yán)重威脅著機(jī)組安全穩(wěn)定運行，在給發(fā)電廠帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和人員傷亡。針對此次事故，發(fā)電廠應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督、可靠性管理和采取針對性措施，從而最大程度地避免爆管事故的發(fā)生。