超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器爆管原因分析及對(duì)策

張杰

【摘 ?要】對(duì)某電站超臨界鍋爐T91鋼高溫過(guò)熱器爆管進(jìn)行試驗(yàn)分析，通過(guò)爆口宏觀形貌分析、化學(xué)成分分析、顯微組織觀察、力學(xué)性能試驗(yàn)，認(rèn)為T(mén)91鋼高溫過(guò)熱器早期失效的原因是管子內(nèi)存在異物堵塞，管子長(zhǎng)期過(guò)熱后加速老化，性能下降，最終導(dǎo)致爆管，分析堵塞原因并提出了相應(yīng)對(duì)策。

【關(guān)鍵詞】超臨界鍋爐;T91鋼;高溫過(guò)熱器;爆管;堵塞;長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱;

引言

過(guò)熱器是電站鍋爐受熱面的重要組成部分，工作壓力、溫度均最高，是受熱面中工作條件最為惡劣的部件。由于壓力等級(jí)的提高，超超臨界機(jī)組的承壓部件在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了很大的變化，尤其是鍋爐受熱面管徑急劇變小，使異物很容易在內(nèi)徑較小的水冷壁、過(guò)熱器區(qū)域堵塞而造成爆管，特別是雙U布置的過(guò)熱器，異物更不易被蒸汽帶走，造成流通面積減少，導(dǎo)致部分管子因冷卻不足而發(fā)生爆管。

1爆管情況

某電站超臨界機(jī)組鍋爐運(yùn)行中分散控制系統(tǒng)（DCS）發(fā)出鍋爐四管泄漏報(bào)警，就地檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐水平煙道上部標(biāo)高71m處有明顯泄漏聲，初步判斷為末級(jí)過(guò)熱器泄漏，隨即申請(qǐng)停機(jī)。停機(jī)冷卻后進(jìn)入爐內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)初始泄漏點(diǎn)為末級(jí)過(guò)熱器出口段右數(shù)第10屏前數(shù)第11根管，泄漏點(diǎn)距離下彎頭9.0m，距離頂棚2.8m，泄漏的蒸汽將附近12根管吹損泄漏。

該鍋爐為SG-2080/25.4-M969型變壓運(yùn)行直流爐，四角切向燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架∏形結(jié)構(gòu);額定蒸發(fā)量為2080t/h，過(guò)熱器出口壓力為25.40MPa，再熱器出口壓力為4.41MPa，過(guò)熱器出口溫度為571℃，再熱器出口溫度為569℃。至此次停機(jī)，累計(jì)運(yùn)行僅12079h。

末級(jí)過(guò)熱器橫向布置82屏，分前后兩片，逆流布置;橫向節(jié)距為224.0mm，縱向節(jié)距為76.2mm;每片13根管。初始泄漏管子規(guī)格為38.1mm×8mm，材質(zhì)為SA213-T91。

2試驗(yàn)分析

2.1爆口宏觀檢查

對(duì)末級(jí)過(guò)熱器出口段右數(shù)第10屏前數(shù)第11根管初始爆口進(jìn)行宏觀檢查：爆口處管徑明顯脹粗，最大為41.6mm;爆口狹小，長(zhǎng)50mm，寬5mm，未完全張開(kāi)，呈紡錘狀;爆口部位管壁無(wú)明顯減薄，爆口周?chē)休^多縱向樹(shù)皮狀裂紋;爆口位于迎火側(cè)。從爆口的宏觀情況看，該爆管具有長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱的特征。

在進(jìn)一步的檢查中發(fā)現(xiàn)，沿管子向上500mm處還存在一個(gè)明顯的脹粗部位，最大脹粗為41.2mm，表面也存在明顯的縱向樹(shù)皮狀裂紋。

對(duì)該屏管組前一根管子進(jìn)行宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，表面光滑，無(wú)明顯脹粗。

2.2化學(xué)成分分析

使用3460直讀光譜儀對(duì)管材進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果符合ASMESA-213—2010《鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》的要求。

2.3金相組織分析

使用OLYMPUS-GX71金相顯微鏡對(duì)爆管進(jìn)行金相分析，侵蝕劑為鹽酸FeCl3水溶液，分析結(jié)果如圖3～圖5所示。試樣10-11-1金相組織為回火馬氏體，組織嚴(yán)重老化，馬氏體位相完全消失，碳化物在晶界析出、聚集長(zhǎng)大，形成鏈狀，管內(nèi)壁氧化皮厚0.39mm;試樣10-11-2金相組織為回火馬氏體，組織嚴(yán)重老化，馬氏體位相隱約可見(jiàn)，碳化物在晶界析出、聚集長(zhǎng)大，管內(nèi)壁氧化皮厚0.32mm;試樣10-10金相組織也為回火馬氏體，組織老化程度較輕，管內(nèi)壁氧化皮厚0.15mm。

2.4力學(xué)性能檢驗(yàn)

使用CMT5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)管材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣10-11-1和10-11-2的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均低于ASMESA-213—2010《鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》的要求，其他結(jié)果也符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5微觀分析

對(duì)爆管、相鄰管內(nèi)壁（蒸汽側(cè)）氧化層的微觀形貌進(jìn)行分析，并測(cè)量?jī)?nèi)壁氧化層厚度。可見(jiàn)相鄰管內(nèi)壁蒸汽側(cè)氧化層為典型的多層結(jié)構(gòu)，爆管、相鄰管的氧化層厚度分別為0.48mm和0.40mm。

使用EDAXDX-4型X射線能量分散譜儀對(duì)爆管的內(nèi)、外壁氧化層和下彎頭處管內(nèi)沉積物進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明：（1）爆管內(nèi)壁氧化層為鐵、鉻、鉬的氧化物，但并不是均勻的，分層結(jié)構(gòu)中合金元素鉻、鉬有明顯的梯度變化，外層的均勻?qū)雍褪杷蓪觿t均為單一鐵的氧化物;（2）彎頭內(nèi)的沉積物形貌為黑灰色均勻薄片，其相結(jié)構(gòu)中FeFe2O4（FeFe2O4為Fe2+和Fe3+氧化物的混合體）占54.2%，F(xiàn)e2O3占45.8%，是爆管內(nèi)壁鐵的氧化物脫落沉積形成的。

3爆管原因

末級(jí)過(guò)熱器出口段右數(shù)第10屏前數(shù)第11根為最初泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)距離下彎頭9.0m，距離頂棚2.8m，該位置是過(guò)熱器運(yùn)行工況最為惡劣的位置。

宏觀檢查顯示，爆口狹小、窄長(zhǎng)，管壁無(wú)明顯減薄，管徑發(fā)生明顯的脹粗，爆口位于迎火側(cè)，爆口周?chē)嬖谠S多縱向樹(shù)皮狀裂紋，存在明顯的長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱爆管的宏觀特征。

爆口附近及沿管子向上800mm處金相組織嚴(yán)重老化，碳化物在晶界析出、聚集、長(zhǎng)大，管內(nèi)壁氧化皮明顯增厚，最厚達(dá)0.39mm，爆口附近金相組織比遠(yuǎn)離爆口的10-11-2老化更為嚴(yán)重，馬氏體位相完全消失，碳化物在晶界形成鏈狀。爆口附近及沿管子向上800mm處，管子的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度明顯下降，已低于ASMESA-213—2010《鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》的要求，說(shuō)明組織和力學(xué)性能?chē)?yán)重劣化。

管子的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。爆口附近試樣10-10的外觀、金相組織、力學(xué)性能良好，均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，組織老化較輕，說(shuō)明不是爐膛燃燒超溫引起的過(guò)熱。

綜上所述，此次爆管泄漏的主要原因是長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱，并且整段管子均存在過(guò)熱，組織老化，性能下降。分析認(rèn)為，末級(jí)過(guò)熱器出口段右數(shù)第10屏前數(shù)第11根管內(nèi)部由于某些原因?qū)е缕魍娣e減小，介質(zhì)流量減小，從而影響了傳熱效果，管子長(zhǎng)時(shí)間處于超溫運(yùn)行狀態(tài)，加速了氧化皮的生成，進(jìn)一步影響傳熱，形成惡性循環(huán)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，引起材料蠕變損傷，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱爆管。

4結(jié)論及建議

T91高溫過(guò)熱器發(fā)生長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱爆管，期間未進(jìn)行檢修換管，下部彎頭檢查發(fā)現(xiàn)氧化皮數(shù)量不多，說(shuō)明異物堵塞發(fā)生在制造或安裝階段。由于過(guò)熱器管子較長(zhǎng)，管徑較小，異物未將管子堵死，對(duì)于異物的查找存在困難。鑒于搶修時(shí)間較短，對(duì)該管子進(jìn)行解列，待到檢修時(shí)更換整根管子。此次事故給我們以下警示。

4.1制造階段應(yīng)注重主聯(lián)箱內(nèi)部清潔度的檢查，封堵前應(yīng)仔細(xì)檢查和清理聯(lián)箱內(nèi)部，徹底清除“草帽圈”鐵絲、棉紗、工具等雜物，特別是塊狀金屬;加強(qiáng)對(duì)受熱面管焊接質(zhì)量的檢查，防止產(chǎn)生焊瘤等超標(biāo)缺陷，避免因焊口局部通徑過(guò)小而造成異物堵塞。

4.2安裝階段應(yīng)采取措施防止異物落入聯(lián)箱和管子，嚴(yán)格進(jìn)行通球檢查，加強(qiáng)成品保護(hù)意識(shí)。

4.3嚴(yán)格控制機(jī)組的蒸汽吹管工藝。超臨界鍋爐吹管宜采取穩(wěn)壓與降壓吹管相結(jié)合的方式，以提高吹管效果;吹管后應(yīng)對(duì)各鍋爐各集箱和受熱面進(jìn)行全面檢查，將未吹出系統(tǒng)的雜物進(jìn)行徹底清理，保證系統(tǒng)內(nèi)部清潔。

4.4適當(dāng)增加過(guò)熱器和再熱器的壁溫測(cè)點(diǎn)，掌握管屏的溫度分布，為運(yùn)行控制提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：華能海南發(fā)電股份有限公司東方電廠）