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

1 爆管檢驗

將兩處爆管及氧化皮堆積嚴(yán)重的第12屏第9根下部彎頭割取，送某電力科學(xué)院進(jìn)行相關(guān)試驗，具體檢驗內(nèi)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(nèi)外壁均存在較厚的氧化皮。對未爆管彎頭內(nèi)部氧化皮進(jìn)行稱重與測量，該鋼管清理出的內(nèi)部氧化皮總重為134 g，抽取了部分氧化皮，采用千分尺進(jìn)行測量，測量發(fā)現(xiàn)，已剝落的氧化皮厚度在0.07～0.21 mm之間。

1.2 化學(xué)成分檢測

對1號爆管、2號爆管和未爆管分別選取試樣，進(jìn)行化學(xué)成分檢測，發(fā)現(xiàn)兩個爆管及未爆管試樣化學(xué)成分均符合GB 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求[1]，具體數(shù)據(jù)見表1。

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

Table 1 Chemical composition detection 單位：%

1.3 力學(xué)性能檢測

對1號爆管、2號爆管和未爆管分別選取向火側(cè)及背火側(cè)試樣進(jìn)行屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及縱向延伸率等三項力學(xué)性能指標(biāo)檢測，發(fā)現(xiàn)兩根爆管和未爆管三項力學(xué)性能指標(biāo)均符合GB 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)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(cè)以及未爆管向火側(cè)和背火側(cè)分別選取試樣，在顯微鏡下進(jìn)行低倍及高倍觀察。在100倍視場中觀察發(fā)現(xiàn)，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(dá)到260.54 μm，2號爆管外壁脫碳層最大達(dá)到154.52 μm(如圖2所示)，未爆管外壁未發(fā)現(xiàn)有脫碳現(xiàn)象。

表2 力學(xué)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(jìn)行未剝落氧化皮厚度測量和觀察，測量發(fā)現(xiàn)三者內(nèi)壁氧化皮厚度均較大，1號爆管內(nèi)壁氧化皮厚度最大值達(dá)到271.63 μm，2號爆管內(nèi)壁氧化皮厚度最大值達(dá)到262.74 μm，而未爆管內(nèi)壁氧化皮厚度最大值達(dá)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(nèi)介質(zhì)接觸的疏松層構(gòu)成(如圖3所示)。

圖3 爆口內(nèi)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(cè)和背火側(cè)進(jìn)行金相組織觀察，同時參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對金相組織進(jìn)行組織分析與評定[2-3]。觀察發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(nèi)珠光體已全部球化，且視場范圍內(nèi)有大量蠕變空洞存在，如圖4(b)所示；1號爆管背面?zhèn)饶覆慕鹣嘟M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(fā)現(xiàn)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(nèi)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(nèi)珠光體已全部球化，且視場范圍內(nèi)有大量蠕變空洞存在，如圖5(b)所示；1號爆管背面?zhèn)饶覆慕鹣嘟M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(nèi)有蠕變空洞存在，晶粒度6～7級，如圖5(c)所示； 2號爆管內(nèi)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(fā)現(xiàn)未爆管向火側(cè)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(nèi)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(cè)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(jié)果來看，兩根爆管及未爆管的化學(xué)成分均未見異常，主要力學(xué)性能指標(biāo)也符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但多數(shù)力學(xué)性能指標(biāo)接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限，爆口附近金相組織顯示組織球化非常嚴(yán)重，其余部位金相組織比較正常，三者管內(nèi)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(guī)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(dá)到臨界剝落厚度之前，內(nèi)壁氧化皮與金屬基體緊密結(jié)合在一起，不易剝落，當(dāng)內(nèi)壁氧化皮達(dá)到剝落臨界厚度后，由于具有較強(qiáng)韌性的金屬基體12Cr1MoV與脆性較大的氧化皮線膨脹系數(shù)存在較大差異，前者線膨脹系數(shù)約為12.8～14.1，后者中Fe3O4線膨脹系數(shù)約為9.1，F(xiàn)e2O3線膨脹系數(shù)約為14.9，F(xiàn)eO線膨脹系數(shù)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(chǎn)生分離剝落，當(dāng)剝落堆積在受熱面管下部彎頭的氧化皮達(dá)到一定數(shù)量時，便會影響到管內(nèi)介質(zhì)的通流量，最終造成鋼管超溫，甚至發(fā)生爆管[4-5]。

3 結(jié) 語

1)某亞臨界鍋爐后屏過熱器爆管系鋼管超溫所致，經(jīng)分析認(rèn)為鋼管前期運行過程中存在超溫、爐膛煙溫偏差、運行中負(fù)荷存在波動以及低負(fù)荷工況運行等不利因素，導(dǎo)致受熱面管內(nèi)壁在長期運行中產(chǎn)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(chǎn)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(jī)組運行期間要強(qiáng)化運行管理，嚴(yán)禁受熱面超溫運行；機(jī)組變工況運行下應(yīng)有可靠的防止受熱面超溫的技術(shù)措施，鍋爐啟、停應(yīng)嚴(yán)格按啟停曲線進(jìn)行；應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測，嚴(yán)禁使用不合格爐水，防止受熱面管內(nèi)氧化皮形成。