630 MW鍋爐高溫過熱器結焦爆管原因分析及對策

余建飛，陳東平

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國家能源集團科學技術研究院有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

鍋爐“四管”結焦與爆漏，是高參數機組運行中比較普遍的問題，嚴重影響高參數火力發電機組的安全、經濟、高效運行，如何減緩或防止鍋爐結焦與爆管，是生產中急需解決的問題，很多研究者對此開展了大量理論和實踐研究［1-15］。

某電廠2號機組于2009年投入運行，2022年1月9日高溫過熱器發生爆漏，機組停運后檢查發現高溫過熱器垂直管第87 屏第2 根上有2 個爆口，高溫過熱器水平管上部結焦嚴重，尤其是被其他過熱器管包圍的高溫過熱器管上部，結焦物厚度超過5 cm。為找到該高溫過熱器爆管和結焦的原因，本文對爆裂高溫過熱器管及其他高溫過熱器管樣進行宏觀觀察、化學成分分析、結焦物分析、力學性能試驗及金相檢驗，查找高溫過熱器結焦與爆裂的原因，并提出了預防控制措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

圖1 為第87 屏第2 根管上部和下部2 個爆口的宏觀形貌，爆口開口較小，與軸向平行，管壁無明顯減薄，破口邊緣不鋒利，爆口兩端管徑發生脹粗，外壁有結焦現象，內壁有密集、較為平直、且長短不一的縱向裂紋，并附著明顯的氧化皮。

圖1 過熱器爆口原狀Fig.1 Original state of high-temperature superheater tube-burst

圖2為高溫過熱器水平管外壁結焦和內壁宏觀形貌。從圖中可以看出，高溫過熱器管道上部結焦嚴重，表面凹凸不平，寬3 cm 左右，見圖2（a）。去除結焦物后管外壁呈褐色，可見小腐蝕坑，結焦物剖面形貌如圖2（b）和圖2（c）所示，焦物顏色具有明顯的分層結構：靠近管壁的第1層呈亮褐色，非常堅硬致密；第2層為青褐色，相對堅硬；第3層為土黃色，比較堅硬；第4層為紅褐色和灰白色，疏松，取樣過程中易脫落。高溫過熱器水平管內壁宏觀形貌，可見分層的氧化皮，局部有開裂和起皮，并有脫落現象。

1.2 管樣化學成分分析

按照《GB/T 223 鋼鐵與合金化學分析方法》對高溫過熱器管進行化學成分分析，結果見表1，可見該管樣母材T91 的化學成分符合ASME 的要求，可排除錯用材料的可能性。

1.3 力學性能測試

按照《GB/T 4340.1-2018 金屬材料維氏硬度試驗第1部分試驗方法》要求，對割取的6根管樣分別進行硬度測試。結果表明所檢取樣管硬度正常（推薦硬度為180 HB～250 HB），但爆口附近的硬度靠近標準《DL/T 438-2009 火力發電廠金屬技術監督規程》中規定的T91管硬度下限，其他管子的硬度也有明顯下降［27］，如表2所示。

表2 硬度測量結果Table 2 Results of the tube hardness test

根據《GB/T228.1-2010 金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，割管機械性能檢驗結果見表3，結果顯示，所檢取樣管的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率均滿足《ASME SA213-2001 鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧式體合金鋼管》對T91鋼力學性能的技術要求，但部分管子的屈服強度和伸長率接近標準下限。

表3 機械性能分析結果Table 3 Tube mechanical properties analysis

1.4 金相組織觀察

對6根高溫過熱器割管分別進行金相分析，結果如表4和圖3，從金相分析結果可看出，高溫過熱器管均有老化現象，其中爆口管屬于嚴重老化；6號管、21號和98號管屬于中度老化；102號管和21號管屬于完全老化。

圖3 高溫過熱器管金相組織Fig.3 Microstructure of high-temperature superheater tube

表4 金相分析結果Table 4 Metallographic analysis results

1.5 內壁垢量和氧化皮成分分析

經分析，所送檢管樣中，高溫過熱器內壁氧化皮厚度在0.22 mm～0.53 mm之間，結垢量最小值為1 793.6 g/m2，最大值為2 293.1 g/m2。經能譜分析，氧化皮主要元素為Fe 和O，其次為Cr 元素，可見少量的Al、Si 和Mn 等元素。

1.6 外壁結焦物分析

圖2（c）中結焦物樣品的掃描電鏡和能譜分析結果見圖4。表層結焦物主要形狀為球形，尺寸不均勻，大部分直徑在10 μm 以下，能譜分析結果顯示其主要元素為O、Al 和Si，次要元素為Ca 和Fe 元素，可見少量的C、Na、Mg、Ti 和Zn 等元素。底層結焦物非常致密，為顆粒狀，能譜分析結果顯示其主要元素為Cr、Fe 和O。從結焦物側面SEM 圖中可以看出，靠近管壁側的底層物質孔隙非常小，且與第2 層有明顯分界線；第2 層內部有孔隙，尺寸比第1 層大，第3 層縫隙更多更大。

圖4 結焦物的SEM圖Fig.4 SEM image of the coking material

結焦物剖面能譜線掃描結果見圖5，從圖5中可以看出，第1 層結焦物厚度約2 mm 左右，主要元素為O、Cr 和Fe，可見S 元素；第2 層，未見Cr 元素，Ca、Al 和Si明顯增多，Fe 略有下降，可見S 和K 元素；第3 層Ca 含量顯著增加，其主要元素為O、Al、Si、Ca 和Fe，可見K元素；第4 層為疏松的浮灰，取樣過程中已脫落，經化學定量分析，Fe2O3含量為26.87%，Al2O3含量為16.82%，CaO含量為11.29%，MgO含量為2.17%，S含量為1.93%，SiO2含量為42.26%。

圖5 結焦物側面能譜分析結果Fig.5 XRD of coking

2 綜合分析

由上述理化分析結果可知，高溫過熱器管顯微組織呈現非常明顯的過熱特征，說明高溫過熱器管壁溫度長期超過正常工作溫度。當運行溫度超過T91鋼的Ac1點時，晶內碳化物數量減少，在原奧氏體晶界上出現碳化物聚集長大，馬氏體特征分散或消失，尺寸粗化，馬氏體位向明顯分散，其中嚴重老化的爆管馬氏體嚴重分散，晶界變粗，出現雙晶界，有鏈狀孔洞。這種組織變化會使材料的屈服強度和抗拉強度顯著下降，同時還會使材料的脆性增加［16］。所檢的6根高溫過熱器管的力學性能盡管仍滿足要求，但均已明顯下降，部分接近標準下限，因此一旦管段局部區域應力超過材料的屈服強度，就會發生爆管。

文獻顯示，煤灰中Al2O3是增高灰熔性的最主要成分［17-20］，一般來說Al2O3含量越高，軟化溫度越高，從結焦物第4層化學定量分析結果看，Al2O3含量不到20%，明顯偏低；當煤灰中CaO 低于35%時，它是降低煤灰熔點溫度的成分之一，第2 層結焦物，以Ca、Al、Si、Fe和O為主，可見S元素，是因為CaO 能與SiO2等形成低熔點的硅酸鹽，與固態CaO、硅鋁酸鹽等形式留在灰中，此外CaO與SO2在800 ℃～1 000 ℃范圍內生產氣態或熔融態的硫酸鹽，當溫度降低時凝結，粘附在受熱面和爐墻上形成初始結渣層，與文獻中Ca、Fe 會引起結焦和分層一致。當外壁有結焦物形成時，隨著焦體的發展生長，熱阻增大，外壁結焦物溫度逐漸升高，沉積物在不同溫度下，發生不同的物理化學反應，形成不同的結焦物，從而使結焦物出現明顯的分層結構，且由于溫度過高，管壁上發生高溫腐蝕，第1層中的Cr說明了高溫過熱器外壁發生了腐蝕現象，第3層和第4層結焦物顏色偏紅色，表示Fe2O3含量比較高，而文獻顯示煤灰中含Fe2O3越高，灰熔點就越低，結焦傾向嚴重。

高溫過熱器內壁氧化皮中的Cr 元素說明內壁也有腐蝕發生，且最大厚度已超過標準，當氧化皮厚度超過0.5 mm時，應對管子狀態進行評估［20］。當氧化皮超過一定厚度，管道溫度變化頻繁且幅度較大時，由于氧化皮的膨脹系數與金屬不一樣，機組啟停及負荷變化時會引起氧化皮破裂并從金屬表面剝落，一部分會帶出過熱器，一部分會在彎頭處積累，降低熱交換效率［15］，從而引起管壁超溫，加速內壁氧化皮生成、外壁高溫腐蝕和結焦，使金屬傳熱性更差，加速外壁高溫腐蝕和內壁氧化皮的生成，同時腐蝕會使管壁減薄，影響材料性能，從而進入惡性循環中。

經調查，由于2021年8月電煤價格暴漲，運行成本壓力大，為降低燃料成本，電廠不得不摻燒價格低的煤種，但時間緊促，盡管對摻燒煤種進行了分析，但對煤摻燒比例的研究與分析不夠透徹。

3 結語

1）鍋爐高溫過熱器T91 管發生爆管的主要原因是管壁溫度過熱，使得材料顯微組織老化，力學性能下降，外壁結焦和內壁氧化皮會加劇管壁超溫。需加強燃燒監督，嚴密監視爐膛出口煙溫、高溫受熱面管壁溫度和排煙溫度，并根據煙氣溫度對燃燒進行調整。

2）掌握燃料特性，煤種問題是產生結焦的主要問題之一，不同的煤種有不同的特性，摻燒前應進行獲取煤質分析數據，如煤成分和灰熔點等，加強入爐煤品質監督管理，結合爐膛設計結構、爐內空氣動力常和燃燒器結構布置，摸索出合適的不同煤種的摻配比例，使其最終配出的煤在性能指標上達到或接近鍋爐的設計煤種要求，避免局部過熱、熱偏差超標、高溫腐蝕、再次結焦和爆管等現象的發生。

3）對外壁結焦物進行深度清理，消除爆管隱患。調整高溫過熱器底部區域吹灰器推進長度，防止高溫過熱器區域產生吹灰死區。加強水汽品質監督，避免內壁氧化皮生成。

4）日常運行中勤檢查，尤其是煤種變化后，應加強檢查頻率，及時發現結焦，及時打焦，避免表面高溫腐蝕或形成堅硬的結焦物。如果不及時清理，會產生惡性連鎖循環，結焦會越來越嚴重，嚴重時會發生多次爆管。

5）建議停爐期間檢查該管子爐內段，尤其是下彎頭處是否存在堵塞，并割管檢查。

6）根據本次高溫過熱器爆管和結焦原因，制定相關應對措施，給國內同類型機組防止結焦爆管、安全運行具有一定的借鑒意義。