淺析660WM超臨界鍋爐過熱器管爆管原因及對策

田雄

摘要：在役鍋爐中超臨界鍋爐日益增多，為了研究過熱器爆管的原因，對1臺660WM超臨界鍋爐高溫過然器爆管上游管和相關管樣的內(nèi)壁氧化物的宏觀形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、脫落氧化皮的微觀結(jié)構(gòu)、物相等進行了分析。結(jié)果表明：由于該鋼管內(nèi)壁氧化皮脫落堆積 ，管內(nèi)蒸汽流通面積減小，造成了鋼管過熱，從而引起了鋼管在薄弱區(qū)域爆裂失效。

關鍵詞：超臨界鍋爐;過熱器;氧化皮脫落

某發(fā)電廠2×660MW超臨界煙煤鍋爐。該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行大氣擴容式啟動系統(tǒng)的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉布置的π型鍋爐。2015年投入運行，2016年5月28日機組負荷590MW，#3機組運行監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)爐管泄漏聲光報警，爐管泄漏儀26點聲音異常。經(jīng)就地檢查后確認在折焰角上方靠近爐右煙溫探針處有明顯受熱面泄漏聲，初步判斷為高溫再熱器發(fā)生泄漏。

一、過熱器爆管的根本原因：

造成管壁失效爆管的原因主要有以下幾種：

過熱失效是材料在一定時間內(nèi)的溫度和應力作用而出現(xiàn)的失效形式。它主要發(fā)生在受熱面管道上。過熱主要是針對材料的金相組織和機械性能的效果而言。過熱是鍋爐超溫運行的結(jié)果，超溫是過熱的原因。 過熱失效一般分為長期過熱和短期過熱，主要表現(xiàn)形式是鍋爐管子發(fā)生爆破。

1.1長期過熱

長期過熱一般超溫幅度不大，過程緩慢，管壁溫度長期處于設計溫度以上而低于材料的下臨界溫度，鍋爐管子發(fā)生碳化物球化，管壁氧化減薄，持久強度下降，蠕變速度加快，使管徑均勻脹粗，最后在管子的最薄弱部位導致脆裂的爆管現(xiàn)象。在正常狀態(tài)下，長期超溫爆管主要發(fā)生在高溫過熱器的外圏和高溫再熱器的向火面。在不正常運行狀態(tài)下，低溫過熱器、低溫再熱器的向火面均可能發(fā)生長期超溫爆管。

1.2短期過熱

短期過熱一般發(fā)生在水冷壁管上，當管壁溫度超過材料的下臨界溫度時，材料強度明顯下降。在內(nèi)壓力作用下，發(fā)生脹粗和爆管現(xiàn)象。

1.3.1高溫腐蝕

燃料中含有V2O5、Na2O、SO3 等低熔點氧化物，在高溫下，它們與管子發(fā)生化學反應產(chǎn)生新的氧化物，這些低熔點氧化物又會與金屬表面新生成的氧化物進一步發(fā)生化學反應，生成結(jié)構(gòu)松散的釩酸鹽。沿著受熱面管道局部區(qū)域滲入管子內(nèi)部，造成高溫腐蝕。

1.3.2低溫腐蝕

如果溫度較高、含有SO2、SO3和CO2的煙氣，當遇到溫度低于煙氣露點的部件時，部件表面凝結(jié)的水膜與SO2、SO3和CO2會結(jié)合形成酸性溶液，導致受熱面發(fā)生低溫腐蝕。

1.4.1高周疲勞斷裂

高周疲勞一般壽命較長，斷裂時沒有塑性變形，一般也稱應力疲勞。高周疲勞一般具有穿晶特征，在裂紋金相試樣上，裂紋呈波動狀，裂紋中間沒有腐蝕介質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物，裂紋尖端往往較尖銳，疲勞條紋間距小。

1.4.2低周疲勞斷裂

低周疲勞一般壽命較短，斷裂時長伴隨應變的發(fā)生，故也稱應變疲勞。斷口較為粗糙，斷口周圍往往有殘余宏觀變形。斷口仍具有逐漸擴展區(qū)和瞬時破斷區(qū)的特征，逐漸擴展區(qū)的“海灘”標志部明顯或消失。

二、爆管原因分析

泄漏管在爆管發(fā)生前其破口附近管壁溫度已經(jīng)超過620度，遠遠超出了正常運行溫度。另外破口的具體形貌，從現(xiàn)場高溫再熱器管泄漏情況看，爆口泄漏點為軸向裂開，破口斷面粗糙，邊緣呈鈍邊，符合中長期超溫爆口特征，結(jié)合該段管子平均硬度有所降低的情況，分析爆口管段內(nèi)部長期冷卻不足造成管子超溫，局部蒸汽流動不暢，管子金相組織發(fā)生變化，蠕變速度加快，持久強度逐漸降低，最終發(fā)生爆口泄漏，爆口為粗糙的脆性斷口，爆口較小，邊緣粗鈍，管徑脹粗這屬于比較典型的長期超溫爆管。

三、分析與改進措施

3.1分析

（1）在高溫下，高溫蒸汽管內(nèi)的鐵會跟水蒸汽起反應，當溫度在560 - 570℃以下時，內(nèi)壁氧化膜比較致密，可以保護鋼材進一步氧化，但當管壁內(nèi)溫度達到560 -570℃以上時，生成的氧化物結(jié)構(gòu)較為疏松。特別是在壓力波動較大時.氧化皮的生成速度就會加快。在機組啟停過程中，管子的溫度變化幅度最大，管內(nèi)氧化皮最容易剝落。特別是緊急停爐時，由于爐膛溫度快速冷卻，壁溫下降很快，很容易造成氧化皮剝落。在啟動初期時。蒸汽流域較小，不能迅速地將剝落的氧化皮帶走，等到大流量時，已經(jīng)在管徑較小的彎頭處形成堵塞，就會產(chǎn)生超溫。此外，噴水減溫導致壁溫的明顯變化也是導致氧化皮脫落的一個重要原因。?

3.2改進措施

（1）確保鍋爐用水的水質(zhì)，運行中使水質(zhì)符合標準，嚴格控制含氧量，并定期檢査。?

（2）在維修期間對管內(nèi)壁進行沖刷清洗，除去管內(nèi)的沉淀物，防止堵塞。?

（3）嚴格控制鍋爐升降負荷速度，減小管壁溫度變化的速率。

（4）低負荷階段盡量不投入二級減溫水的使用。

四、結(jié)論與建議

（1）管內(nèi)壁氧化皮脫落堆積造成了過熱，加上鋼管材料在高溫、高壓條件下長期服役，使其組織變化，強度下降，從而在鋼管的薄弱區(qū)域發(fā)生了爆裂。?

（2）建議相關部門根據(jù)電廠的實際情況總結(jié)經(jīng)驗，加強對機組運行的監(jiān)控，特別是加強鍋爐受熱面“四管”區(qū)域的巡檢，及時發(fā)現(xiàn)泄漏情況，采取相應措施，避免吹損周邊管子造成損失擴大和增大檢修工作量。

（3）制定防止鋼管內(nèi)壁氧化皮脫落的相關措施，防止氧化皮脫落堵塞引起爆管，同時在下次檢修期間要對受熱管內(nèi)壁氧化皮的厚度進行測量和監(jiān)測，并作好記錄。

參考文獻

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