超臨界鍋爐末級(jí)過熱器爆管原因

任 宏

（廣西華銀鋁業(yè)有限公司，百色 533700）

超臨界鍋爐末級(jí)過熱器爆管原因

任 宏

（廣西華銀鋁業(yè)有限公司，百色 533700）

本文深入分析其爆管原因，主要采取管樣內(nèi)壁氧化物檢測和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，最終發(fā)現(xiàn)該問題產(chǎn)生的主要位置和問題產(chǎn)生原因，希望通過本次研究盡量降低爆管現(xiàn)象的發(fā)生率，綜合提升超臨界鍋爐的使用效率。

超臨界鍋爐 末級(jí)過熱器 爆管原因

引言

超臨界鍋爐的末級(jí)過熱器發(fā)生爆管原因主要是高溫蒸汽作用下鋼管的內(nèi)壁形成氧化皮，從而在熱應(yīng)力的不斷變化情況下出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，最終減少通流截面和介質(zhì)流量，從而引發(fā)爆管[1]。為深入研究這種問題的發(fā)生機(jī)制，本文以600MW的超臨界鍋爐的末級(jí)過熱器爆管問題為例進(jìn)行分析，現(xiàn)將研究內(nèi)容論述如下。

1 宏觀檢測情況

某超臨界鍋爐的過熱器逆流布置，出口溫度為570℃，出口壓力為25.4MPa，一共有82排，每排設(shè)置了12根管，根據(jù)管壁溫設(shè)置TP347H奧氏體鋼、T91、T23鐵素體鋼[2]。該鍋爐的過熱器運(yùn)行時(shí)間約為1萬小時(shí)，經(jīng)檢查，一共出現(xiàn)兩處爆管現(xiàn)象，兩處爆管位置分別距離頂棚2.5m和2m位置，第一處爆管位置從前面數(shù)在11根管處，從右面數(shù)在第24排。而這兩處爆管的爆口均呈現(xiàn)脹粗現(xiàn)象。為探討出該爆管現(xiàn)象發(fā)生的原因，將爆管位置割開檢查，最終發(fā)現(xiàn)爆口的下彎管內(nèi)存有氧化皮。將氧化皮脫落物挑選出，稱重后顯示約為92g。與此同時(shí)，使用儀器檢測全部管道，最終發(fā)現(xiàn)，有42根管在蒸汽吹損作用下出現(xiàn)過熱脹粗，或管道變薄現(xiàn)象，為保障機(jī)器運(yùn)行效率，這些管道需要及時(shí)更換。此外，射線檢查結(jié)果顯示，有6根管內(nèi)的下彎處存在氧化皮堆積現(xiàn)象。由檢測結(jié)果初步判斷該末級(jí)過熱器發(fā)生爆管的原因?yàn)門23/T91過熱器內(nèi)壁的氧化皮脫落，最終造成管壁內(nèi)部堆積，進(jìn)而影響管子正常的流通截面，降低介質(zhì)流量，最終導(dǎo)致爆管現(xiàn)象。為驗(yàn)證這一判斷，本文檢測和試驗(yàn)運(yùn)行管內(nèi)脫落的氧化皮，具體內(nèi)容如下。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 運(yùn)行管內(nèi)壁氧化物宏觀形態(tài)

為細(xì)致觀察管壁內(nèi)的氧化物的宏觀形態(tài)需要應(yīng)用體視顯微鏡進(jìn)行觀察，然后列舉出多種觀氧化皮脫落物的形態(tài)和方式，最終結(jié)果顯示，所有管樣的內(nèi)壁中的氧化物具有不同的宏觀形態(tài)特性。具體的形態(tài)特性見表1。

表1 所有管樣的內(nèi)壁中的氧化物的宏觀形態(tài)特性

由檢測和觀察最終結(jié)果顯示，爆管的管內(nèi)壁的氧化物的宏觀形態(tài)的特性主要表現(xiàn)在以下兩方面[3-5]。①T23鋼管內(nèi)壁的氧化物的宏觀形態(tài)：該段的鋼管內(nèi)壁脫落氧化皮，脫落的氧化皮主要呈橢圓狀或者大片狀。在內(nèi)壁的凸棱上以及內(nèi)圓面上的氧化皮易出現(xiàn)了鼓包情況，進(jìn)而脫落。該鼓包形式多為橢圓狀。其主要的脫落過程大致如下，首先氧化皮起包，然后出現(xiàn)分離情況，接下來沿著橢圓的長軸線開裂，隨后開始鼓包脫離，最終于管內(nèi)壁上造成脫離斑痕，該斑痕主要為橢圓狀。②T91鋼管內(nèi)壁的氧化物的宏觀形態(tài)：這段鋼管的內(nèi)壁也出現(xiàn)氧化皮脫落現(xiàn)象，其中24和25號(hào)樣管的內(nèi)壁存有多個(gè)縱向、平行的裂縫。究其形成原因主要為24、25號(hào)樣管位于爆破管的上游，該管段承受極高的溫度，進(jìn)而發(fā)生超溫爆破情況。此時(shí)爆口會(huì)噴出很多溫度較低的蒸汽，這樣就會(huì)造成管內(nèi)壁快速冷卻，最終致使管內(nèi)壁的氧化皮形成縱向的裂縫。

2.2 脫落氧化皮結(jié)構(gòu)與成分

2.2.1 脫落的氧化皮的厚度和微觀結(jié)構(gòu)觀察

對(duì)脫落的氧化皮進(jìn)行選樣，然后分析其厚度和結(jié)構(gòu)，具體的分析結(jié)果見表2。

表2 氧化皮的厚度和微觀結(jié)構(gòu)

由測量結(jié)果可得出以下結(jié)論：①氧化皮的厚度主要為0.08～0.10mm，均較?。虎谘趸そY(jié)構(gòu)都為二層，內(nèi)層的尺寸小，厚度多為0.03～0.05mm，孔洞多。而外層的尺寸大，且孔洞少。這說明氧化物于內(nèi)層分離導(dǎo)致脫落，而沒有沿著內(nèi)、外層的界面進(jìn)行分離；③氧化皮的最外層的白亮層成分主要為Fe2O3，其內(nèi)層的白亮層的顆粒為Fe2O3顆粒。④使用X射線能譜分析最終發(fā)現(xiàn)內(nèi)層中離外層最近的白色顆粒帶主要為富W區(qū)，這種情況主要是因?yàn)镕e向外擴(kuò)散至外層，最終形成該白色顆粒帶。因?yàn)镕e2O3，W的原子半徑較大，所以在難以擴(kuò)散情況下沉積于內(nèi)層，最終出現(xiàn)富W區(qū)[6]。

2.2.2 物相分析脫落的氧化皮

篩選脫落的氧化皮，將異物挑出，使用X射線衍射儀分析該脫落的氧化物，最終顯示脫落的氧化皮的成分為部分Fe2O3（12.44%）和Fe3O4（87.56%）。

2.2.3 氧化皮成分及區(qū)域的微觀形態(tài)

將檢測最終發(fā)現(xiàn)，脫落的氧化皮的微觀形態(tài)如圖1所示。

圖1 氧化皮的微觀形態(tài)圖

與此同時(shí)，使用EDAX-X射線能譜儀和電子顯微鏡分析其內(nèi)外層多個(gè)區(qū)域中的化學(xué)成分，最終結(jié)果如下：①脫落的氧化皮的折斷面的結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)層的等軸細(xì)晶和外層的粗大柱狀晶；②氧化皮的折斷面的外層成分測定顯示只有O和Fe，由此判斷氧化皮折斷面的外層的成分主要為Fe3O4（純磁鐵礦)。而折斷面飛內(nèi)層的化學(xué)成分測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除O和Fe外，還包括V、Cr和W，由此判斷氧化皮的折斷面的內(nèi)層物質(zhì)為含Cr和W的尖晶石。根據(jù)這一測定結(jié)果最終可判斷脫落的氧化皮主要屬于T23鋼管的內(nèi)壁。

2.3 運(yùn)行管內(nèi)壁氧化層微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 T91鋼管中氧化層的微觀結(jié)構(gòu)

鏡顯結(jié)果顯示，T91鋼管內(nèi)的兩層氧化物的內(nèi)層中的細(xì)孔較多，多存于靠基體金屬側(cè)，具有較多的孔洞鏈。這些物質(zhì)排列方向?yàn)閳A周方向，其疏松帶和致密帶共同存在。此外，T91管的氧化層的開裂方式為徑向開裂。

2.3.2 T23鋼管中氧化層的微觀結(jié)構(gòu)

鏡顯結(jié)果顯示，T23鋼管的二層氧化物中的內(nèi)層具有多條孔洞鏈，較為致密，其孔洞鏈的排列方向?yàn)閳A周方向。而這種氧化多會(huì)沿著圓周方向排列的孔洞鏈開裂，最終引發(fā)內(nèi)壁氧化物的分離。

3 結(jié)語

爆管的原因主要是末級(jí)過熱器T23/T91鋼管中的T23管段的內(nèi)壁長期處于高溫蒸汽情況下，最終逐漸形成氧化皮，而這些氧化皮在機(jī)器開啟和停止操作中產(chǎn)生的劇烈熱應(yīng)力變化下出現(xiàn)內(nèi)層氧化物同基體金屬的分離，進(jìn)而引發(fā)脫落現(xiàn)象[7]。脫落的氧化皮會(huì)順著氣流的方向不斷積累于下彎管的出氣邊處，最終導(dǎo)致管道內(nèi)的通流截面不斷變小，伴隨介質(zhì)流量的不斷降低出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，長期如此造成爆管現(xiàn)象。此外，上文研究內(nèi)容還可得出以下結(jié)論。①T23鋼管樣發(fā)生了內(nèi)壁氧化皮脫落現(xiàn)象，脫落的氧化皮主要為橢圓狀和大片狀。而T91鋼管樣未發(fā)生氧化皮脫落信息，只是存在縱向的氧化皮裂縫。②T91鋼管中的氧化物的內(nèi)層細(xì)孔多，氧化物疏松帶和致密帶并存。而T91鋼管的氧化物為徑向開裂。③T23鋼管的氧化皮為二層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層主要為含Cr和W的尖晶石，具有多條或一條孔洞鏈，呈圓周方向排列，分離方式主要為沿孔洞鏈分離。而外層的主要成分為Fe3O4。④脫落的氧化皮為二層結(jié)構(gòu)，外層成分為O和Fe，而內(nèi)層成分主要有O、Fe、Cr、W和V。由于內(nèi)層含有W元素，所以由此可判斷脫落的氧化皮不是形成于T91鋼管內(nèi)壁中，而是形成于T23鋼管的內(nèi)壁。

由于T22和T23鋼管中的Cr含量相近，所以與T22鋼管相比，T23鋼管的內(nèi)壁中的氧化皮更易脫落，所以超臨界鍋爐的高溫受熱面的壁溫應(yīng)設(shè)定為570℃以下。

[1]彭艷，何鳳生.超超臨界鍋爐末級(jí)過熱器爆管原因分析[J].廣東電力，2013，26（3）：99-103.

[2]梁志福，孫丙新，張濤，等.660MW超臨界鍋爐末級(jí)過熱器爆管原因分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2013，31（3）：24-28.

[3]趙慧傳，賈建民，陳吉?jiǎng)?，?超臨界鍋爐末級(jí)過熱器爆管原因的分析[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011，31（1）：69-74.

[4]成志紅.超臨界600MW機(jī)組鍋爐末級(jí)過熱器爆管原因分析及預(yù)防措施[J].熱力發(fā)電，2011，40（7）：81-83.

[5]馬元坤.超超臨界鍋爐末級(jí)過熱器T92鋼管爆管原因分析[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊，2013（12）：834-837.

The Reason of Supercritical Boiler Final Superheater Tube Explosion

REN Hong
(Guangxi Huayin Aluminum Co. Ltd., Baise 533700)

This paper analyzes the causes of tube explosion, mainly adopts the method of tube inner wall oxide detection and test combination, finally found the main causes of the problem and the position of the hope that through this study, to reduce the incidence of tube explosion phenomenon, the use efficiency of comprehensive improvement of supercritical boiler.

supercritical boiler, final superheater, tube explosion