某火力發電廠鍋爐后屏過熱器爆管原因分析

韓光海

(神華國能寶清煤電化有限公司，黑龍江 雙鴨山 155100)

0 引 言

某火力發電廠1號鍋爐是燃煤發電鍋爐，型號為SG-1025/18.55-M725。該鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、四角切向燃燒、固態排渣、等離子點火、燃燒器擺動調溫、平衡通風、自然循環汽包鍋爐，鍋爐轉運層以上為半露天布置、全鋼架懸吊結構。鍋爐采用“定-滑-定”的運行方式。該機組于2017年12月正式建成并投產發電，截止停機，該機組共運行了41 939.39 h。鍋爐后屏過熱器管壁設定報警溫度為553 ℃，后屏過熱器管規格為Φ54×9 mm，材質12Cr1MoV。

1 爆管檢驗

將兩處爆管及氧化皮堆積嚴重的第12屏第9根下部彎頭割取，送某電力科學院進行相關試驗，具體檢驗內容如下。

1.1 宏觀檢查

如圖1所示，1號爆口和2號爆口均呈菱形，爆口較大，爆口處管徑明顯大于原始鋼管直徑。1號爆口長約182 mm，寬約98 mm；2號爆口長約82 mm，寬約53 mm。兩個爆口邊緣為鈍邊，1號爆口最薄處厚度為4.32 mm，2號爆口最薄處厚度為4.53 mm。爆口邊緣均被氧化，爆口周邊沿軸向分布有大量的樹皮狀紋理，內外壁均存在較厚的氧化皮。對未爆管彎頭內部氧化皮進行稱重與測量，該鋼管清理出的內部氧化皮總重為134 g，抽取了部分氧化皮，采用千分尺進行測量，測量發現，已剝落的氧化皮厚度在0.07～0.21 mm之間。

1.2 化學成分檢測

對1號爆管、2號爆管和未爆管分別選取試樣，進行化學成分檢測，發現兩個爆管及未爆管試樣化學成分均符合GB 5310—2017標準的相關要求[1]，具體數據見表1。

圖1 爆口測量Fig.1 Measurement of burst crack 表1 化學成分檢測

Table 1 Chemical composition detection 單位：%

1.3 力學性能檢測

對1號爆管、2號爆管和未爆管分別選取向火側及背火側試樣進行屈服強度、抗拉強度及縱向延伸率等三項力學性能指標檢測，發現兩根爆管和未爆管三項力學性能指標均符合GB 5310—2017標準的相關要求[1]。

1.4 金相檢驗

對兩根爆管的爆管邊緣、爆口裂紋尖端、爆口管背側以及未爆管向火側和背火側分別選取試樣，在顯微鏡下進行低倍及高倍觀察。在100倍視場中觀察發現，兩根爆管爆口邊緣外壁均存在脫碳層，1號爆管外壁脫碳層最大達到260.54 μm，2號爆管外壁脫碳層最大達到154.52 μm(如圖2所示)，未爆管外壁未發現有脫碳現象。

表2 力學性能檢測Table 2 Mechanical property test

圖2 爆口脫碳層測量Fig.2 Decarburization layer measurement of explosion

在100倍視場下對兩個爆管及未爆管進行未剝落氧化皮厚度測量和觀察，測量發現三者內壁氧化皮厚度均較大，1號爆管內壁氧化皮厚度最大值達到271.63 μm，2號爆管內壁氧化皮厚度最大值達到262.74 μm，而未爆管內壁氧化皮厚度最大值達到302.30 μm，氧化皮主要由與金屬基體緊密貼合的致密層和與管內介質接觸的疏松層構成(如圖3所示)。

圖3 爆口內壁氧化皮厚度測量Fig.3 The thickness measurement of the inner wall oxide scale

在400倍視場下對兩個爆管爆口邊緣、裂紋尖端、爆口背部及未爆管的向火側和背火側進行金相組織觀察，同時參照相關標準對金相組織進行組織分析與評定[2-3]。觀察發現1號爆管裂紋尖端附近金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化3級，晶粒度6～7級，裂紋為沿晶裂紋和穿晶裂紋的混晶裂紋，裂紋內部存在黑色氧化物，如圖4(a)所示；1號爆口邊緣金相組織為鐵素體+碳化物，視場范圍內珠光體已全部球化，且視場范圍內有大量蠕變空洞存在，如圖4(b)所示；1號爆管背面側母材金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化2～3級，晶粒度6～7級，如圖4(c)所示。

觀察發現2號爆管裂紋尖端附近金相組織為鐵素體+碳化物+少量珠光體，裂紋為沿晶裂紋和穿晶裂紋的混晶裂紋，裂紋內部存在灰色及黑色氧化物，裂紋邊緣金屬基體存在明顯塑性變形，如圖5(a)所示；2號爆口邊緣金相組織為鐵素體+碳化物，視場范圍內珠光體已全部球化，且視場范圍內有大量蠕變空洞存在，如圖5(b)所示；1號爆管背面側母材金相組織為鐵素體+碳化物+少量珠光體，珠光體球化4～5級，視場范圍內有蠕變空洞存在，晶粒度6～7級，如圖5(c)所示； 2號爆管內壁母材存在脫碳層，脫碳層最大厚度為217.73 μm，如圖5(d)所示。

圖5 2號爆口金相組織形貌Fig.5 Metallographic morphology of No.2 explosion

觀察發現未爆管向火側金相組織為鐵素體+珠光體+碳化物，珠光體球化3～4級，晶粒度6級，珠光體邊界輪廓尚清晰，但珠光體含量較少，珠光體內滲碳體逐漸分解形成碳化物并聚集在晶界上，如圖6(a)所示；未爆管背火側金相組織為鐵素體+ 珠光體+碳化物，如圖6(b)所示。

圖6 未爆管母材金相組織Fig.6 Metallographic structure of base metal without tube burst

2 爆管原因分析

從各項檢測結果來看，兩根爆管及未爆管的化學成分均未見異常，主要力學性能指標也符合相關標準要求，但多數力學性能指標接近標準規定下限，爆口附近金相組織顯示組織球化非常嚴重，其余部位金相組織比較正常，三者管內壁氧化皮厚度較厚。鉻鉬鋼氧化皮剝落的臨界厚度因管子規格、運行工況和溫度變化幅度而不同，一般在0.2～0.5 mm 之間，在達到臨界剝落厚度之前，內壁氧化皮與金屬基體緊密結合在一起，不易剝落，當內壁氧化皮達到剝落臨界厚度后，由于具有較強韌性的金屬基體12Cr1MoV與脆性較大的氧化皮線膨脹系數存在較大差異，前者線膨脹系數約為12.8～14.1，后者中Fe3O4線膨脹系數約為9.1，Fe2O3線膨脹系數約為14.9，FeO線膨脹系數約為12.2，兩者在鍋爐升、降溫過程及運行時溫度有波動的情況下因膨脹量不同而使外層氧化物產生分離剝落，當剝落堆積在受熱面管下部彎頭的氧化皮達到一定數量時，便會影響到管內介質的通流量，最終造成鋼管超溫，甚至發生爆管[4-5]。

3 結 語

1)某亞臨界鍋爐后屏過熱器爆管系鋼管超溫所致，經分析認為鋼管前期運行過程中存在超溫、爐膛煙溫偏差、運行中負荷存在波動以及低負荷工況運行等不利因素，導致受熱面管內壁在長期運行中產生較厚的氧化皮，在最近一次點爐和運行中，因升溫速度過快及運行溫度產生波動，造成超過或接近剝落臨界厚度的氧化皮大面積剝落堵塞鋼管，最終造成鋼管超溫爆管。

2)機組運行期間要強化運行管理，嚴禁受熱面超溫運行；機組變工況運行下應有可靠的防止受熱面超溫的技術措施，鍋爐啟、停應嚴格按啟停曲線進行；應加強水質監測，嚴禁使用不合格爐水，防止受熱面管內氧化皮形成。