一起600MW機組鍋爐高溫過熱器爆管的原因分析

山西電建檢修工程科技有限公司 程學軍

某發電公司鍋爐型號是DG2060/17.6-II3，最大連續蒸發量為2060t/h，過熱蒸汽壓力為17.31MPa，額定工作溫度為541℃。高溫過熱器位于水平煙道上方，沿爐膛寬度方向共有60片，沿煙氣流向共有兩組，第一組U型受熱面由10根Φ57管子組成，管子規格為φ57×9、管材為SA-213T91、橫向節距S1=1273mm。第二組U型受熱面由10根Φ51管子組成，管子規格為φ51×9、管材為SA-213T91、橫向節距S2=1278mm，滑動塊定位，第一組和第二組在頂部用大小頭相連。高溫過熱器出口集箱設為兩個,出口全部在爐左。為減小流量偏差使同屏各管的壁溫比較接近，在高過入口聯箱處均設置了不同尺寸的節流孔。

某年11月26日21時左右，機組負荷600MW、機組凝補水量由15.3T/h漲至74T/h、汽水偏差70T/h，22時08分汽水偏差漲至110T/h。就地檢查發現鍋爐水平煙道右側高過、高再區域異音較大，初步判斷為高過或高再受熱面管泄漏。于11月27日01時25分機組停運。經檢查發現，鍋爐高過二級受熱面左數第50排迎火側第10根管子發生爆管，爆口標高約52米。高過第50排迎火側第10根管子爆管后受沖擊力影響變形出列至前包墻處，造成前包墻右數第16排、49.8米高再左數第119排、120排、121排發生不同程度的泄露，前包墻頂部部位的頂棚管有2根不同程度的吹損泄露。

1 爆管、爆口現象描述及分析

爆管現場情況以及爆口宏觀形貌：高過二級管第50排迎火側第10根爆口的宏觀特征，爆口沿管子縱向開裂，受管內蒸汽壓力的作用爆口的壁厚減薄較多,爆口邊緣不鋒利，爆口張開較大，爆管破口脹粗明顯且沿爆口縱向有裂紋，具有長期過熱爆口的宏觀特征。高過二級管第50排迎火側第11根（與第10根組成一個U型彎）標高53米有三處蠕漲，其中一處管子開裂，蠕漲分別為58.8mm、53.55mm、54.8mm，表明管子存在長期過熱現象。通過對爆口宏觀分析及管子蠕漲分析，該U型管存在長期過熱現象。

管材金屬元素化學成分含量為：C0.066%、Mn0.498%、S0.009%、Si0.496%、Cr9.371%、Mo0.982%、V0.279%、Nb0.161%、Ni0.00%。

金相檢驗：在現場爆破管段的不同部分分別進行取樣，在實驗室金相組織檢查對比，試驗結果顯示取樣T91材料中的回火馬氏體出現了變化，典型馬氏體形態顯示不明顯，碳化物部分已積聚在一起，并在材料原來的奧氏體中局部晶界位置出現了一些孔洞，組織表現出過熱老化的現象。

力學性能：使用專業設備對破損管段進行了材料拉伸、沖擊性能檢驗記錄和材料的硬度檢測。按照相關標準要求，合金材料T91的硬度檢測值理論上應在180～250HB之間。對爆管段附近管壁進行材料硬度檢測，結果該段管壁處的硬度平均值在130HB上下，朝介質出口方向管壁材料的硬度值逐漸上升至正常范圍，而另一端取樣管壁的焊縫及材料熱影響區的硬度檢測值都在正常要求范圍內。

運行參數分析：高過左數第50排沒有壁溫測點，可參考相鄰第51排的壁溫情況，壁溫測點分別位于第1、4、9、10根，機組啟動后，運行中壁溫測點未出現超溫情況。機組啟動時，高過左數第51排溫度波動異常，受熱面管壁溫升過快且溫度波動，可能引起管內壁氧化皮的剝落。隨后對破損管段的入口聯箱連接管座現場進行高清度內窺鏡查看，沒有發現存在雜物堵塞痕跡。

2 常見超溫爆管的原因分析

2.1 局部長期過熱

局部長期過熱是指過熱器管排局部管壁的運行溫度長時間處在鍋爐的設計值以上，并在金屬材料的下臨界溫度限值之下，過熱管壁溫雖然不很高但持續時段長，致使過熱器管壁附著氧化物變薄，持續效應致使管壁金屬蠕變速度增加，金屬管徑隨之膨脹變粗，在承受不住壓力的最薄弱位置出現破裂。總結來說造成管排局部管壁過熱破裂的表現主要高溫蠕變型、應力氧化裂紋型和氧化減薄型[1]。第一種和第二種主要出現在鍋爐高溫過熱器最外圈的迎火面，而第三種主要出現在高溫再熱器管道內。長期過熱破裂管破口形狀多數呈現為脆性斷口和破裂邊緣粗糙、不平整。

2.2 局部短時過熱

局部管壁短時過熱是指過熱器管壁溫度超過金屬材料下臨界溫度限值，導致金屬材料強度有所降低，在管道內部介質的高溫高壓作用下發生破裂。短時過熱多數發生部位為直接與爐膛火焰接觸的過熱器管排迎火面或直接受到熱輻射的受熱面。發生的根本原因是爐膛內燃燒局部溫度過高，超過設備設計溫度。表現在管道內介質流量分布不均勻，管道內部局部結垢現象嚴重或存在異物阻塞內徑，也可能存在鍋爐設備設計時錯用強度不夠的鋼材。短時過熱破裂邊緣多數塑性變形較大，管徑明顯變粗，破口邊緣明顯減薄呈刀刃狀。

2.3 汽側氧腐蝕

指由于管道內部介質中氧百分比含量和酸堿pH值發生變化，對管壁金屬腐蝕變薄出現破裂。管內介質由于氧的去極化作用，在電化學反應作用下，管內鈍化膜破裂處出現點蝕形成腐蝕介質，在循環應力作用下腐蝕破裂。汽側氧腐蝕經常發生在水側，慢慢延伸到金屬外表面，一般發生在停爐時發生。

2.4 金屬熱疲勞

是由于鍋爐經常性的啟動和停爐，管道內汽膜引起的金屬熱應力與振動引起的交變應力而出現的金屬熱疲勞損壞。其原因主要是煙氣中的S、Na、V、C1等物質促進金屬腐蝕、爐膛由于水、吹灰導致熱沖擊以及管道超溫導致金屬材料疲勞強度降低等。金屬熱疲勞通常發生在煙道高熱流區域的管道外表面。

2.5 氧化皮脫落

2.5.1 氧化皮形成原因

高溫蒸汽管道內表面生成氧化膜是自然過程，剛開始氧化膜形成較快，形成膜后氧化速度便開始放慢。但隨著運行時間的增加，在超溫或溫度、壓力異常波動情況下，由于管道金屬母材和氧化膜的熱膨脹能力差別較大，管道內壁表面的氧化膜會出現裂紋，裂紋造成管道基體金屬直接重新暴露在氧化環境中，從而加速了金屬氧化的速度，金屬的氧化層開始向雙層或多層逐步發展。高溫過熱器金屬材料長期處在高溫高壓的介質中，隨著設備運行時間的增長，管道內壁氧化膜以下的金屬基體相應發生貧化。在金屬超溫或溫度、壓力異常波動的作用下，金屬表面外層氧化物出現細小的裂紋向氧化膜外部擴散，很大程度上降低金屬表面在高溫下的抗氧化能力。

2.5.2 氧化皮脫落的原因

有關研究顯示，在某個溫度段金屬溫度越高氧化皮生長速度就越快。鍋爐設備主蒸汽設計溫度為541℃，金屬在該溫度下運行管道內壁氧化皮就會生長，高溫氧化皮生長會遵循拋物線規則進行，而T91管材的氧化皮的熱膨脹系數與金屬基體材料的熱膨脹系數有較大差異，在鍋爐設備經常性的啟動停爐時金屬氧化皮很容易脫落(幾微米就可脫落)，氧化皮脫落后使金屬基材暴露在蒸汽中，而金屬初期氧化速度極快，從而形成反復脫落、反復氧化；且脫落的氧化皮堆積降低管道內部蒸汽流量，使其更容易出現溫度超高。

隨著機組運行日期的增加，管道內壁的氧化膜厚度也相應增加，在鍋爐的頻繁啟動、停爐或升降負荷過程中管道壁溫變化幅度很快、很大，因為金屬母材和表面氧化膜的熱膨脹系數同，金屬基體會對表面氧化膜產生不同方向拉或壓的作用，這會導致金屬表面氧化膜裂開。多層氧化膜累積達到一定厚度后，在溫度發生劇烈或多次變化時氧化皮很容易從金屬本體剝離。

2.5.3 氧化皮聚積原因

最先從金屬表面剝離的氧化皮在管排U型彎的底部停滯，因為機組啟動時的蒸汽流量較小、無法將其沖走。脫落的氧化皮不斷的積聚，數量較多時，即便在機組啟動后有較大的蒸汽流量也很難對其產生擾動并帶走，被堵塞的管道壁溫出現異常升高，嚴重情況會造成管道短期超溫破裂。在鍋爐停運冷卻過程中，也會有部分蒸汽凝結成水垢沉積于過熱器管排U型管下部掩蓋住此處剝落的氧化皮，隨著U型管底部的積水逐漸蒸發，此處的金屬表面氧化皮一層緊貼著一層，慢慢聚積成核狀堵死高溫過熱器U型管底部管道內徑，造成管道短期超溫破裂。

3 本次管道超溫破裂分析原因

金屬材料T9l的金屬晶體組織為回火馬氏體。當運行中高過管道壁溫超過金屬材料T91的Ac1點時，在T91金屬材料中形成部分的集聚鐵素體，奧氏體晶界上碳化物聚集較多。也就是T91金屬材料破裂管段金屬組織中出現Ac1～Ac3兩相區不完全相變的產物，回火馬氏體的典型特征消滅，使得T91金屬材料的屈服強度、抗拉強度有所降低，導致了T91金屬材料的脆性增加，在破裂裂口出現了粗鈍的邊緣。

管排U型彎內沉積的氧化皮應該是管道內壁氧化皮脫落造成的。在運行中管道內壁在長期高溫蒸汽的作用下，金屬表面會不斷氧化形成連續的氧化皮，由于氧化皮的膨脹能力與金屬基體膨脹能力相比差別較大，在溫度變化時二者的熱脹冷縮變形不一致就造成氧化皮破裂從管道內壁金屬表面剝離，而脫落的氧化皮落入U型彎底部并逐漸積累就會造成管道內部堵塞，引起管道內部蒸汽流量降低導致管道壁溫過熱出現管道破裂。

本次高溫過熱器爆管主要由管排管壁過熱超溫引起，而過熱超溫主要由管道內部蒸汽循環不暢、部分管段節流或異物堵塞造成。異物堵塞主要有兩種，一是安裝或檢修的施工遺留物，另一個是設備本身長期運行自然形成的異物。

施工異物分析：鍋爐上次受熱面檢修換管是2016年4月，機組已穩定運行6個月以上，高過入口聯箱或管內存在施工異物堵塞節流孔的可能很小；割第50排高過入口聯箱管用內窺鏡檢查，聯箱內部無異物，因此施工異物造成受熱面超溫爆管可排除。

受熱面氧化皮剝落：氧化層剝落主要是金屬氧化皮和金屬間不同的機械特性造成的，氧化皮層剝落重要的原因是溫度突變，過熱器管道內壁氧化層剝落情況主要發生在機組啟動、停爐過程中，溫度變化幅度、速率對氧化皮產生裂縫大小或氧化皮破裂剝落都有影響。氧化皮疏松、剝落后存在管道內或聯箱中，致使過熱器管道內部通流面積變窄，流過該處的蒸汽流量減少局部降溫能力下降，造成過熱器管壁過熱超溫。對高過左數第50排入口聯箱割管進行檢查，發現聯箱內部氧化皮部分剝落，剝落的氧化皮進入管道內形成節流，造成蒸汽流量不均勻，管道局部過熱破裂的可能較大。本次高過爆管是由于高過入口聯箱氧化皮剝落進入受熱面管中，管內蒸汽量減少、管子過熱超溫引起。

4 總結爆管原因分析應采取的防范措施

4.1 管道金屬長期、短時過熱預防

針對高溫過熱造成的管道破裂，應及時分析管道破裂原因并采取對應的措施。針對管道高溫蠕變破裂型，盡量積極改進過熱器受熱面的外觀，防止燃燒過程中局部溫度過高，讓管內蒸汽流速流量均勻分配，并在停爐時及時進行管道內部化學清理，防止外部異物和自身沉積物集聚造成管道局部過熱；對于管內氧化裂紋破裂型，多數表示管道金屬使用壽命已到、應及時進行更換；對氧化減薄破裂型，要在日常工作中注意對過熱器管道的保護。針對管道金屬短時過熱的具體現象，主要應改進過熱面管束的形狀和流通，保證內部蒸汽的流速流量分配合理，同時按照相關規定對管道內部進行化學清理，消除管內異物和累積氧化皮。

4.2 管道汽側氧腐蝕預防

針對管道汽側氧腐蝕，防止管道內部金屬氧化物生成和采取停爐保護措施是關鍵。對于新爐，啟用時應先進行內部化學處理，消除內部少量鐵屑鐵銹和其他臟物，在受熱面管道內壁形成一層保護薄膜；設備運行中應按照制度定期檢測內部介質的酸堿度pH值，按照規定適當增加鍋爐介質中氯化物和硫酸鹽的百分比濃度。

4.3 管道金屬熱疲勞預防

防止管道金屬熱疲勞產生最關鍵的是要防止或減少交變應力的產生，對于容易產生交變應力的集中區域構件應提前采取一定的預防措施，同時盡可能避免鍋爐設備的頻繁操作，預防設備運行中出現大的強力機械振動，也可通過調整和改變設備運行參數從而減少壓力和溫度梯度的變化幅度，也減少熱偏差和相鄰管壁的溫度，避免金屬材料熱沖擊。

4.4 檢修措施

在日常制度中建立受熱面管道防磨防爆檢視制度,包括停機時及時進行管內氧化皮測量、設備運行中壁溫曲線檢查。在設備停運時對管排彎頭進行射線檢查,確認垂直管排U型彎底部氧化層剝落堆積情況,及時分析管道內壁氧化皮的生成趨勢和剝落嚴重程度；對鍋爐高溫過熱器管排應做到逢停必查，檢查內容包括管徑局部脹粗檢查、局部變形檢查、局部磨損檢查、壁厚測量檢查、管道外壁氧化皮剝落宏觀檢查、U型彎內部氧化皮堆積情況檢查，并建立設備管理臺賬，及時分析相關數據的發展趨勢；鍋爐內部管排外表面吹灰時，如吹掃蒸汽溫度過低容易造成受熱面氧化皮脫落，應將吹灰的蒸汽溫度適當提高。

設備運行中，為有效防止受熱面異常超溫，可適當降低高溫過熱器壁溫超限報警的限制數據，以方便設備運行人員能提前進行擾動和調整；在停機檢修時，檢查發現管道有泄露、吹傷、壁厚減薄小于理論計算最小壁厚的管道必須及時更換。同時利用先進針對性檢測技術對受熱面管道內壁氧化皮檢測，發現氧化皮脫落堆積嚴重的管道必須割管處理，必要時更換管道，在割管檢修時要及時封堵管口避免異物掉入。

在檢修時,發現高溫過熱器U型彎底部氧化皮聚積較多管段，割下U型彎后用銅棒敲擊振動垂直管段，使內壁將要松動的氧化層脫落掉出。U型彎內部清理后，百分之百通球檢查合格，重新對口焊接；現場需要更換的管段，按照金屬監督規定對新材料進行光譜分析檢測確定無誤，鍋爐受熱面T91管材采用填充氬氣保護、氬弧焊接，焊接后按照要求進行焊口熱處理、無損探傷檢驗合格。