淺析660WM超臨界鍋爐過(guò)熱器管爆管原因及對(duì)策

田雄

摘要：在役鍋爐中超臨界鍋爐日益增多，為了研究過(guò)熱器爆管的原因，對(duì)1臺(tái)660WM超臨界鍋爐高溫過(guò)然器爆管上游管和相關(guān)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(jìn)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(guò)熱，從而引起了鋼管在薄弱區(qū)域爆裂失效。

關(guān)鍵詞：超臨界鍋爐;過(guò)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(yùn)行大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風(fēng)、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(yùn)行，2016年5月28日機(jī)組負(fù)荷590MW，#3機(jī)組運(yùn)行監(jiān)盤(pán)人員發(fā)現(xiàn)爐管泄漏聲光報(bào)警，爐管泄漏儀26點(diǎn)聲音異常。經(jīng)就地檢查后確認(rèn)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(guò)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(guò)熱失效是材料在一定時(shí)間內(nèi)的溫度和應(yīng)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(guò)熱主要是針對(duì)材料的金相組織和機(jī)械性能的效果而言。過(guò)熱是鍋爐超溫運(yùn)行的結(jié)果，超溫是過(guò)熱的原因。 過(guò)熱失效一般分為長(zhǎng)期過(guò)熱和短期過(guò)熱，主要表現(xiàn)形式是鍋爐管子發(fā)生爆破。

1.1長(zhǎng)期過(guò)熱

長(zhǎng)期過(guò)熱一般超溫幅度不大，過(guò)程緩慢，管壁溫度長(zhǎng)期處于設(shè)計(jì)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(qiáng)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(dǎo)致脆裂的爆管現(xiàn)象。在正常狀態(tài)下，長(zhǎng)期超溫爆管主要發(fā)生在高溫過(guò)熱器的外圏和高溫再熱器的向火面。在不正常運(yùn)行狀態(tài)下，低溫過(guò)熱器、低溫再熱器的向火面均可能發(fā)生長(zhǎng)期超溫爆管。

1.2短期過(guò)熱

短期過(guò)熱一般發(fā)生在水冷壁管上，當(dāng)管壁溫度超過(guò)材料的下臨界溫度時(shí)，材料強(qiáng)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(diǎn)氧化物，在高溫下，它們與管子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的氧化物，這些低熔點(diǎn)氧化物又會(huì)與金屬表面新生成的氧化物進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(dāng)遇到溫度低于煙氣露點(diǎn)的部件時(shí)，部件表面凝結(jié)的水膜與SO2、SO3和CO2會(huì)結(jié)合形成酸性溶液，導(dǎo)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(zhǎng)，斷裂時(shí)沒(méi)有塑性變形，一般也稱(chēng)應(yīng)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(dòng)狀，裂紋中間沒(méi)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(shí)長(zhǎng)伴隨應(yīng)變的發(fā)生，故也稱(chēng)應(yīng)變疲勞。斷口較為粗糙，斷口周?chē)袣堄嗪暧^變形。斷口仍具有逐漸擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)的特征，逐漸擴(kuò)展區(qū)的“海灘”標(biāo)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(guò)620度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常運(yùn)行溫度。另外破口的具體形貌，從現(xiàn)場(chǎng)高溫再熱器管泄漏情況看，爆口泄漏點(diǎn)為軸向裂開(kāi)，破口斷面粗糙，邊緣呈鈍邊，符合中長(zhǎng)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(zhǎng)期冷卻不足造成管子超溫，局部蒸汽流動(dòng)不暢，管子金相組織發(fā)生變化，蠕變速度加快，持久強(qiáng)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(zhǎng)期超溫爆管。

三、分析與改進(jìn)措施

3.1分析

（1）在高溫下，高溫蒸汽管內(nèi)的鐵會(huì)跟水蒸汽起反應(yīng)，當(dāng)溫度在560 - 570℃以下時(shí)，內(nèi)壁氧化膜比較致密，可以保護(hù)鋼材進(jìn)一步氧化，但當(dāng)管壁內(nèi)溫度達(dá)到560 -570℃以上時(shí)，生成的氧化物結(jié)構(gòu)較為疏松。特別是在壓力波動(dòng)較大時(shí).氧化皮的生成速度就會(huì)加快。在機(jī)組啟停過(guò)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(shí)，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(dòng)初期時(shí)。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(shí)，已經(jīng)在管徑較小的彎頭處形成堵塞，就會(huì)產(chǎn)生超溫。此外，噴水減溫導(dǎo)致壁溫的明顯變化也是導(dǎo)致氧化皮脫落的一個(gè)重要原因。?

3.2改進(jìn)措施

（1）確保鍋爐用水的水質(zhì)，運(yùn)行中使水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制含氧量，并定期檢査。?

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

（3）嚴(yán)格控制鍋爐升降負(fù)荷速度，減小管壁溫度變化的速率。

（4）低負(fù)荷階段盡量不投入二級(jí)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(guò)熱，加上鋼管材料在高溫、高壓條件下長(zhǎng)期服役，使其組織變化，強(qiáng)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(guān)部門(mén)根據(jù)電廠的實(shí)際情況總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的監(jiān)控，特別是加強(qiáng)鍋爐受熱面“四管”區(qū)域的巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏情況，采取相應(yīng)措施，避免吹損周邊管子造成損失擴(kuò)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(guān)措施，防止氧化皮脫落堵塞引起爆管，同時(shí)在下次檢修期間要對(duì)受熱管內(nèi)壁氧化皮的厚度進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)，并作好記錄。

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