鍋爐過熱器超溫爆管的案例分析

陳左亮

摘 要：在電廠設備中，鍋爐四管中的過熱器泄露導致機組停運的頻率越來越高。本文首先分析了過熱器在超溫下管子材料發生蠕變的機理;并對某電廠過熱器爆管案例從宏觀形貌、化學成分、力學性能和金相組織進行分析，得出爆管的原因為管子長期超溫和短時超溫共同作用，使在高溫下管子的圓周應力超過材料許用應力而發生爆管。建議對集箱及受熱面管子的清潔度進行檢查，嚴格對啟停爐的速率進行控制，嚴禁使受熱面管子超溫運行。

關鍵詞：過熱器泄露;爆管;失效機理;原因分析

0 引言

鍋爐作為電廠的主要設備，其運行一直是電廠極為關注的重點，在我國火電機組中，鍋爐導致非停事故約占全廠非停事故的70%左右[1-2]。此外，從圖1可知，在鍋爐導致的非計劃停運中，由水冷壁、省煤器、過熱器和再熱器組成的四管，其泄露造成的停運占了總鍋爐停運的47%。

而從圖1～2可知，四管中過熱器泄露的次數普遍高于其他受熱面。綜上所述，過熱器泄露是影響機組經濟安全運行的重要原因。特別是隨著大型煤電向大容量、高參數、大電廠方向發展，過熱器泄露事故愈發嚴重[3-4]。因此有效的預防過熱器泄露，對提高電廠鍋爐運行的可靠性有重要作用。

1 鍋爐過熱器超溫機理分析

過熱器是鍋爐四管中受熱面工作溫度最高的部件，影響其失效的主要因素就是超溫導致的管子材料發生蠕變。因此對過熱器進行超溫機理的分析將有助于指導預防過熱器泄漏。

蠕變指的是金屬材料長期處在恒溫恒應力環境下發生連續且緩慢的塑性變形過程，且這種變形不能被恢復。受熱面管子的蠕變表現為在高溫高壓的工作條件下，耐熱鋼的組織會隨著時間逐漸發生變化，從而降低鋼的強度和屈服點，降低其蠕變極限和強度，并增加脆性。主要失效現象表現為在長期超溫下狀態下，形成蠕變孔洞、老化材質、降低強度和韌性，最終造成管子失效。

總的來說，碳素鋼的工作溫度達到300℃以上、合金鋼工作溫度達到400℃以上就要考慮蠕變對管子失效的影響。當珠光體耐熱鋼通過正火+高溫回火的熱處理方式后，鋼的金相組織就會變成鐵素體+片狀珠光體的晶體形式。經過長期高溫高壓的運行，管子珠光體中的片狀碳化物會慢慢地發生球化現象，并聚集在晶界長大。溫度和應力會極大影響珠光體耐熱鋼的球化與碳化物聚集，溫度和應力越大，珠光體球化程度就會越加嚴重，性能下降的就會越快，爆管的可能性就會越大。

2 鍋爐過熱器爆管案例分析

2.1 案例概述

某發電公司#1鍋爐為WGZ1004/18.34-1型，露天島式布置的全鋼結構、四角布置直流式百葉窗水平濃淡燃燒器、切向燃燒、平衡通風、熱風送粉、一次再熱、亞臨界自然循環汽包爐。該機組容量為330 MW，于2012年6月投產，截至2020年2月7日，累計運行48 000小時，啟停25次。

2020年2月7日上午10：00，#1機組的功率為295 MW，溫度為540℃;壓力為15.8 MPa，機組穩定運行過程中，發生爐內的高溫過熱器A側處發出異常的噪聲，鍋爐管子泄漏檢測裝置發出報警，通過檢查確認了高溫過熱器爆管，并緊急采取停機處理，檢查發現A側第一排從外圈至第五圈的爐前入口管，距離底部彎頭約2 m處的迎風面呈現出明顯的喇叭狀爆口，如圖3所示。該管從爆口處折彎并向爐后移動2 m，將內側第6、7、8圈底部彎頭上方擠壓變形，爆口附近約四根管子表面被吹損減薄。該管段材質為SA213-T91，規格為Φ 54×8 mm。

2.2 爆管原因分析

取該管及相鄰第六圈入口管共2根管子，做材料檢驗分析，管樣的情況及檢驗編號如表1所示。

2.2.1 形貌宏觀分析

過熱器爆口邊緣比較鋒利，爆口為喇叭口的形狀，爆口處有明顯脹粗現象，并沿縱向發生撕裂，爆口長度約為90 mm，最寬處約為100 mm。爆口邊緣的管壁厚度減薄嚴重，塑性變形嚴重，是短時超溫爆管的明顯特征。

2.2.2 化學成分分析

通過化學成分分析，得到爆管管樣和對比管樣的主要成分符合ASTM SA-213標準規定的T91成分要求，材料與設計材質相符，如表2。

對#5和#6管樣進行了顯微硬度檢驗，檢驗結果見表3。結果表明，由于#5管樣金相組織發生老化，其爆口處的硬度較#6管樣偏低，然而由于其爆口附近的尖角部位塑性變形產生了加工硬化，導致其爆口附近的尖角部位硬度相對于#6管樣反而較高。#6管樣的硬度值符合ASTM SA-213對T91材質硬度的要求。

表4為#5和#6管樣常溫下拉伸性能的試驗結果。結果表明#6管樣的強度遠遠大于#5爆管管樣的強度，#5管樣的強度下降嚴重，向火面的抗拉強度和屈服強度最低，屈服強度值已無法達到標準的要求。

2.2.4 金相組織分析

圖4（a）和圖4（b）分別是#5管爆口附近試樣不同放大程度的縱截面拋光態圖，從圖中可以發現，樣品存在點狀夾雜物，夾雜物等級為2.5級，符合標準要求。圖4（c）和圖4（d）顯示#6管樣的背火面和向火面顯微金相組織無太大的差異，都為回火索氏體+鐵素體，且伴隨有少量的碳化物析出，組織老化等級評定為3級。圖4（e）是#5爆管遠離爆口端的金相組織，為回火索氏體+鐵素體，并伴隨有少量碳化物析出。圖4（f）為#5爆管管樣爆口附近的金相組織，其中碳化物顆粒明顯析出并已長大，組織劣化等級評定為5級。從圖4（g）看出爆口附近尖角處的金相組織呈現出明顯的纖維狀并有沿著纖維狀方向撕裂的裂紋。

從金相組織的分析來看，長大的碳化物在爆口處析出，并且組織的裂化非常嚴重。爆口附近分布的致密裂紋以及管內壁和外壁上的氧化皮的存在是長期過熱的特征，表明過熱器曾出現過長時的超溫運行情況。由于#6管長時間在高溫下運行，該管的金相組織出現了碳化物析出的老化現象，該組織的老化等級評定為3級。

3 結論

綜上所述，管子的樣品化學成分達到標準要求。爆口邊緣部分較為鋒利，爆口出發生明顯的脹粗現象。管壁的厚度從環向方向到爆口的邊緣均勻變薄，塑性較為明顯，這和短期過熱爆管特征相符。從金相組織和力學性能的角度進行分析得出，爆口的組織老化比較嚴重，長大的碳化物在爆口處析出，且在爆口附近有致密的縱向裂紋。在高溫蒸汽和煙氣的作用下，管道的內壁和外壁被氧化，形成了氧化皮。并且力學性能顯著降低。這些都是長期高溫運行的特征，表明該管在爆管之前進行了長期的高溫運行。

在清潔檢查中，發現管道內部存在異物，從而導致管道中的介質流量變小，以及管壁溫度升高，使得在高溫下管子的圓周應力超過材料許用應力而發生爆管。管子爆管的直接原因為短期過熱。建議對集箱及受熱面管子的清潔度進行檢查，嚴格對啟停爐的速率進行控制，嚴禁使受熱面管子超溫運行。

參考文獻：

[1]鄭立軍.電廠鍋爐“四管”的壽命評估與故障診斷[D].鄭州大學，2008.

[2]王旭，陳媛.電站鍋爐過熱器泄露原因及典型案例分析[J].國網技術學院學報，2014，17（01）：47-51.

[3]高勁松.鍋爐受熱面管的失效機理及預防措施研究[D].南昌大學，2007.

[4]凍小飛.電廠鍋爐管道的失效分析及改進措施[D].中國礦業大學，2019.