鍋爐受熱面爆管原因分析及防范措施

田占軍，宋立斌

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

1 概述

鍋爐“四管爆破”一直是影響機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的重要因素，給發(fā)電企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在生產(chǎn)工作中，應(yīng)及時(shí)找出受熱面管爆破原因，提出相應(yīng)預(yù)防措施，使運(yùn)行方式優(yōu)化、合理。在檢修方面加強(qiáng)監(jiān)督檢查，改進(jìn)檢修工藝及設(shè)備改造等措施，最大限度減少爆管次數(shù)，對機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著極其重要的意義。

華能國際電力股份有限公司上安電廠5號鍋爐為超臨界、變壓、直流、本生型鍋爐，鍋爐型號DG2090/25.4－Ⅱ7型，單爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)、露天布置，采用內(nèi)置式啟動分離器。其額定蒸發(fā)量為2 090t/h，高溫過熱器出口壓力25.4MPa，高溫過熱器出口溫度為571℃。2008年6月1日投運(yùn)至今，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為28 000h。該機(jī)組在2013年發(fā)生鍋爐高溫過熱器爆管，導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)，影響了機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 爆管原因分析

泄漏位置位于高溫過熱器管入口段右數(shù)第17屏后數(shù)第8根，造成周邊管屏變形或吹損。初始爆口位置示意見圖1。距離頂棚2m，爆口所在管段材質(zhì)為SA213－TP347H。在頂棚上部有兩道異種鋼焊口，焊口下部材質(zhì)為SA213－TP347H，上部材質(zhì)為SA213－T91。

圖1 初始爆口位置示意

2.1 外觀檢測

管子在爆破處完全斷開，呈撕裂狀，管子嚴(yán)重扭曲變形，外表面有撞擊痕跡。爆口邊緣多數(shù)位置為撕裂斷口，斷口邊緣減薄不明顯，有部分?jǐn)嗫谠诒七^程中飛出，爆開斷口不完整，本是直管的管段已嚴(yán)重彎曲，爆口內(nèi)外表面光滑，無明顯氧化皮。除爆口位置外，管徑?jīng)]有明顯脹粗，在爆口中間位置的邊緣，內(nèi)外壁有少量樹皮紋，最長約為70mm見圖2、圖3。分析認(rèn)為爆口有過熱特征，過熱較嚴(yán)重的向火側(cè)在爆破過程已飛出。

圖2 爆口宏觀形貌

圖3 爆口邊緣撕裂斷口

2.2 現(xiàn)場檢查

對高溫過熱器入口、出口屏1 400個(gè)彎頭全部進(jìn)行了氧化皮堆積測量，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的氧化物堆積。對高溫過熱器入口、出口聯(lián)箱兩側(cè)及中間部位進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)高溫過熱器入口聯(lián)箱中間部分（泄漏管所在管屏附近）至少4處有異物，其中，2處疑似鋼板，尺寸大于4倍管孔以上，另2處為薄片異物，位于管孔處。

2.3 試驗(yàn)分析

對該高溫過熱器爆管（右數(shù)第17屏后數(shù)第8根入口段）進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相組織分析、力學(xué)性能檢驗(yàn)，取樣示意見圖4。

圖4 取樣位置示意

另外對有可能被堵塞的右數(shù)第17、18、19屏相同位置管子進(jìn)行割管檢查。

2.3.1 化學(xué)成分分析

對爆破管子進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果表明試樣符合標(biāo)準(zhǔn)［1］對TP347H的要求，具體分析結(jié)果見表1。

表1 試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.3.2 金相組織分析

從金相組織看，爆管所在管段金相組織均為奧氏體，孿晶晶界清晰可見，第2相在晶內(nèi)、晶界彌散分布，晶界析出第2相數(shù)量較多，尺寸較大，離爆口越近晶界第2相析出越多；爆口中心（JX1）樹皮裂紋尖端圓鈍，但沿晶擴(kuò)展見圖5；爆口邊緣（JX2）撕裂紋沿晶擴(kuò)展見圖6；該管段內(nèi)壁殘余氧化皮約為0.05mm。

圖5 JX1金相組織

圖6 JX2金相組織

爆口下部，距爆口下邊緣250mm（JX3）金相組織為奧氏體，孿晶晶界清晰可見，第2相在晶內(nèi)、晶界彌散分布，見圖7，內(nèi)壁殘余氧化皮厚度0.056 mm。另外右數(shù)第17、18、19屏相同位置割管金相組織輕中度老化，孿晶晶界減少、隱約可見，第2相在晶界析出，聚集，但第2相的尺寸與爆口邊緣比較，爆口邊緣析出的第2相尺寸明顯增大。

圖7 JX3金相組織

對爆口邊緣（JX2）金相試樣進(jìn)行掃描電鏡分析，通過觀察，金相照片晶界上的黑點(diǎn)在掃描電鏡照片上顯示的是析出物脫落后留下的空洞，部分位置析出物仍存在，主要是含鈮（Nb）的析出相，該析出相不含鐵（Fe）、鉻（Cr）。

2.3.3 力學(xué)性能檢驗(yàn)

對管材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，爆口邊緣向火側(cè)抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率有所下降。

2.4 檢測結(jié)果分析

a.爆口邊緣粗鈍，有縱向樹皮紋，管子無明顯脹粗和減薄，具有長時(shí)過熱特征。

b.高溫過熱器入口聯(lián)箱內(nèi)發(fā)現(xiàn)的異物正好在爆管所在管子的入口處，認(rèn)為管子被異物堵塞，造成工質(zhì)流量減少，導(dǎo)致管子壁溫升高，組織性能劣化，在高溫過熱器入口段，煙溫較高區(qū)域發(fā)生爆管。

c.爆管邊緣的金相組織析出大量含鈮的析出物，離爆口越近，晶界第2相析出越多，尺寸越大，在縱向樹皮紋附近的析出物最多，在部分三角晶界處也有粗大的第2相，第2相的析出阻礙了晶內(nèi)與晶界的變形，使材料的塑性和韌性較原始狀態(tài)有所降低，這與爆口邊緣抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的下降是對應(yīng)的。

d.入口聯(lián)箱中的異物是運(yùn)動的，且尺寸較大，很有可能曾經(jīng)堵塞附近管子，在對附近管子進(jìn)行割管檢查發(fā)現(xiàn)，部分管子的金相組織奧氏體孿晶晶界減少，隱約可見，但尺寸較爆管邊緣的小，強(qiáng)度和韌性變化不明顯。

e.奧氏體不銹鋼在超溫情況下，組織會加速老化，主要特征有形態(tài)的變化，即滑移線、孿晶、位錯等變化；第2相析出數(shù)量的增多，顆粒粗化等變化。從試驗(yàn)結(jié)果看，第2相的析出數(shù)量、分布位置和顆粒大小、對不銹鋼的性能影響更為明顯。爆口附近的金相組織雖然孿晶晶界清晰可見，但在晶界及三角晶界上析出的含鈮的第2相粒子，尺寸較大，對性能劣化更為明顯；而附近可能存在堵塞的管子雖然孿晶晶界減少甚至消失，但第2相粒子尺寸偏小，性能下降不明顯。

分析認(rèn)為，鍋爐高溫過熱器發(fā)生爆管的原因是由于入口聯(lián)箱存在異物堵塞，造成工質(zhì)流量減少，壁溫升高，管子長期在超溫條件下運(yùn)行，導(dǎo)致在奧氏體晶界上析出粗化的含鈮第2相粒子，導(dǎo)致其組織劣化，性能下降，在煙溫較高區(qū)域內(nèi)發(fā)生爆管。

3 防范措施

a.對管子進(jìn)行割管理化分析，包括其他位置T91和爐膛內(nèi)TP347H管段，檢查是否存在組織性能劣化現(xiàn)象，必要時(shí)進(jìn)行更換。

b.對相鄰管子進(jìn)行割管理化分析，對比組織性能，以判斷是否存在普遍劣化現(xiàn)象。

c.優(yōu)化燃燒調(diào)整，合理配風(fēng)，防止出現(xiàn)風(fēng)速過高，熱負(fù)荷過分集中，火焰偏斜、煙溫偏差大等問題，導(dǎo)致磨損增加、結(jié)焦、高溫腐蝕和鍋爐受熱面超溫等事件的發(fā)生，并抓好運(yùn)行中汽水品質(zhì)的監(jiān)督。

d.嚴(yán)格執(zhí)行檢修工藝要求，提高檢修質(zhì)量，防止異物落入管內(nèi)，確保不留事故隱患。

e.利用大、小修對管子進(jìn)行全面防磨、防爆檢查，觀察管壁顏色變化、磨損和脹粗等情況，對過熱器管子進(jìn)行管徑測量，明顯脹粗的管子要及時(shí)調(diào)換，必要時(shí)還應(yīng)指定幾根管子作為監(jiān)督段，定期割取試樣，進(jìn)行機(jī)械性能和金相組織檢查。

4 結(jié)束語

鍋爐受熱面管發(fā)生泄漏問題后，進(jìn)行深入的分析研究，對鍋爐受熱面管壁進(jìn)行了徹底檢修排查，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際采取了相應(yīng)的預(yù)防措施，經(jīng)過一段時(shí)間治理，在機(jī)組備用期間對鍋爐受熱面管進(jìn)行檢查，情況良好，取得了顯著的效果，大大提高了鍋爐的安全可靠性。

［1］ ASME SA－213/SA－213M－2010，鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子［S］.中文版.