過熱器爆管原因探討

高如云

摘 要：火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行的可靠性是影響發(fā)電廠運(yùn)行可靠性的首要因素，尤其是鍋爐受熱面管子的損壞泄漏對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行影響最大，是火力發(fā)電廠的常見事故，一般占機(jī)組故障的60%～70%，因此，受熱面管爆漏是影響機(jī)組安全發(fā)電的首要因素。鍋爐受熱面管由于設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、檢修、管理方面的問題以及長(zhǎng)期在高溫、高壓、腐蝕、沖蝕惡劣條件下運(yùn)行存在的老化等原因，爆漏損壞造成的停爐次數(shù)高于其它設(shè)備。只有掌握各種類型受熱面管爆管的表面特征、組織特性、材質(zhì)劣化的現(xiàn)象、內(nèi)外壁結(jié)垢、腐蝕、疲勞的特點(diǎn)，才能有的放矢的進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)工作，尋找有效的管理和技術(shù)防治對(duì)策，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：爆口 變形 超溫 金相 硬度 脹粗

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0062-03

某廠#3機(jī)組鍋爐2004年12月1日投產(chǎn)運(yùn)行。#3機(jī)組鍋爐型號(hào)為1650-17.46-540/540，由斯洛克吐耳瑪齊鍋爐廠生產(chǎn)，爐水循環(huán)系統(tǒng)采用瑞士蘇爾壽爾設(shè)計(jì)的爐型，蒸發(fā)段設(shè)有強(qiáng)制循環(huán)泵和小型汽水分離器。蒸發(fā)段采用垂直管（Ф32×5）帶有循環(huán)泵的低倍率（K=1.25-1.4）強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。

四級(jí)過熱器采用順流布置，分爐前、爐后對(duì)承兩組；每組從爐左至爐右31+31排，每排22根形成1個(gè)U型行程；從中間分為上、下（出、入口）兩部分，入口接管座規(guī)格Ф31.8×5.6，材質(zhì)為10CrMo910；受熱部分規(guī)格Ф31.8×5.6，材質(zhì)為X10CrMoVNb91，出口接管及彎頭規(guī)格Ф31.8×6.3，材質(zhì)X10CrMoVNb91。

2009年底，四級(jí)過熱器發(fā)生爆管現(xiàn)象，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)四級(jí)過熱器右數(shù)14排，上數(shù)第11根管和第12根管發(fā)生爆破。爆破后14排管子情況如圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)從右數(shù)14排切取了三根管，其中兩根管發(fā)生爆破，分別對(duì)應(yīng)圖1中的兩根爆破后斷裂管，分別是右數(shù)14排的上數(shù)第11根管和第12根管，分析中編號(hào)為1號(hào)和2號(hào)（圖中彎曲向下的管子）樣，另外取一根沒有發(fā)生破裂的管（右數(shù)14排上數(shù)第9根管）與兩根爆破管進(jìn)行對(duì)比，分析中編號(hào)為3號(hào)樣。

1 宏觀分析

1.1 爆口處宏觀特征分析

管段爆裂處位于過熱器右數(shù)14排，上數(shù)第11根、第12根管，其中位于第11根管的1號(hào)爆口發(fā)生在直管段，爆口變形較大，由于只獲得一側(cè)的斷口無法測(cè)量爆口的開口長(zhǎng)度，如圖2所示；而第12根管處的2號(hào)爆口發(fā)生在彎頭處，爆口變形較小，同樣因?yàn)橹猾@得一側(cè)的斷口無法測(cè)量爆口的開口長(zhǎng)度，爆口裂紋沿軸向擴(kuò)展，如圖3所示，局部放大如圖4所示。斷裂面較平整，表面有較厚的氧化物。

3號(hào)樣品主要用來進(jìn)行對(duì)比分析，宏觀形貌如圖5所示，3號(hào)樣品整根管變形較小。

1.2 管樣宏觀檢查

1號(hào)爆口處變形較大，說明斷裂時(shí)金屬管子發(fā)生了較大的塑性變形，斷口附近的管子出現(xiàn)了一個(gè)明顯的彎折，此彎折是在爆破時(shí)形成的，如圖2所示。在斷口附近切取環(huán)型試樣，測(cè)量爆口處及其附近管子尺寸發(fā)現(xiàn)管子發(fā)生了明顯脹粗。如圖6所示，圖6中下半圈的壁厚較上半圈的壁厚要小得多，具體測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

2號(hào)爆口折斷口的變形較小，如圖4所示。在斷口附近切取環(huán)型試樣，測(cè)量爆口處及其附近管子尺寸發(fā)現(xiàn)管子發(fā)生了明顯脹粗。一側(cè)管子表面出現(xiàn)比較光滑的形貌，光滑表面處壁厚明顯減小，如圖7所示，圖7中左半圈的壁厚較右半圈的壁厚要小得多，具體測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

圖8是3號(hào)樣剖面圖，從圖中可以看出，管子的截面尺寸符合設(shè)計(jì)要求，在這個(gè)位置上既沒有漲粗壁厚也沒有減小。

將管縱向剖開后對(duì)管內(nèi)壁做宏觀檢查，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。

2 試驗(yàn)分析

將1～3號(hào)管段，分別用于金相分析、硬度分析。

2.1 金相分析

分別取3個(gè)管樣的環(huán)型試樣進(jìn)行金相組織觀察，樣品經(jīng)磨光和拋光后，經(jīng)10%硝酸酒精侵蝕后觀察，組織觀察在OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行。

圖9是1號(hào)樣的金相組織形貌，圖10是2號(hào)樣的觀察結(jié)果，通過金相組織觀察發(fā)現(xiàn)：1、2號(hào)樣品組織是淬火馬氏體，而3號(hào)樣組織是回火馬氏體。

從內(nèi)外壁氧化膜的觀察可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁的氧化膜連續(xù)，而外壁的氧化膜不連續(xù)，多處發(fā)生脫落，可能是沖刷導(dǎo)致的，圖11是內(nèi)壁的氧化膜形態(tài)。

2.2 硬度分析

對(duì)上述幾個(gè)金相試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，加載重量為500克，在HXZ-1000硬度計(jì)上完成。將測(cè)量結(jié)果與《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》（GB-T 1172-1999）相對(duì)照，得出其相應(yīng)的常溫強(qiáng)度值，其結(jié)果見表2。

3 結(jié)果討論

從硬度和金相組織分析可以看出，過熱器管在高溫下工作時(shí)，1號(hào)和2號(hào)樣品出現(xiàn)了相變，硬度明顯升高，而且也發(fā)現(xiàn)了輕微的碳化物析出現(xiàn)象，因此，過熱器破壞模式為過熱爆破。

從1號(hào)和2號(hào)樣斷口附近管子的剖面尺寸測(cè)量結(jié)果可以看出，管子有比較均勻的漲粗，漲粗量達(dá)到13.4%，管子內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，但是在外表面可以清楚地看到?jīng)_刷的痕跡，沖刷后可以看到管子的外壁非常的光亮，測(cè)量尺寸發(fā)現(xiàn)壁厚發(fā)生了嚴(yán)重的減薄，最大減薄量可達(dá)32.1%。從外表面和剖面觀察可以確認(rèn)壁厚的減薄不是由于本次爆口發(fā)生后沖刷造成的。另外從3號(hào)樣的外觀觀察也可以發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域減薄，幾乎整個(gè)截面都發(fā)生了減薄，用測(cè)厚儀檢查發(fā)現(xiàn)，剩余壁厚只有3.9 mm，這也證明了沖刷是在爆口發(fā)生前出現(xiàn)的。至于管子表面沖刷減薄，出現(xiàn)光亮區(qū)的具體原因，有待進(jìn)一步調(diào)查。

根據(jù)管子承受內(nèi)壓的受力分析可以知道，其周向力，其中P為內(nèi)壓，D為管子的外徑，t為管子的壁厚，根據(jù)上面的分析，管子在長(zhǎng)期使用過程中有輕微的漲粗，因此，外徑尺寸比新管材尺寸增大了約13.4%，而壁厚減薄約32.1%，因此，在內(nèi)壓不變的情況下，應(yīng)力水平增加到原來的1.66倍，從而引起爆破。

4 結(jié)論

通過以上論證，可以得到以下結(jié)論：

（1）四級(jí)過熱器管爆口的失效模式是過熱爆破；

（2）兩爆口處硬度測(cè)試和金相組織狀態(tài)表明，兩爆口處曾發(fā)生相變，冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，說明管壁局部區(qū)域過熱溫度達(dá)到相變溫度（約820 ℃）以上。

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