超臨界鍋爐末級過熱器爆管原因分析

何軍，張健，何天磊

（1．國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院電源技術(shù)中心，安徽 合肥 230601；2.中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215000）

超臨界鍋爐末級過熱器爆管原因分析

何軍1，2，張健1，2，何天磊1，2

（1．國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院電源技術(shù)中心，安徽 合肥 230601；2.中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215000）

對某電廠600MW機(jī)組超臨界鍋爐T91末級過熱器爆管進(jìn)行宏觀分析、化學(xué)成分分析、微觀分析、力學(xué)分析。結(jié)果表明，由于短時(shí)超溫，造成氧化皮脫落，形成汽側(cè)阻塞，導(dǎo)致爆管，對此提出防范措施。

超臨界鍋爐；末級過熱器；爆管；短時(shí)過熱

1 概述

某電廠600MW機(jī)組鍋爐型號為HG-1900/25.4-YM7，2008年8月投產(chǎn)，為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行本生直流鍋爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)。該鍋爐B修完成后，在點(diǎn)火時(shí)發(fā)現(xiàn)其末級過熱器爆管，截至B修，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約6.1萬小時(shí)。末級過熱器位于折焰角上方，沿爐寬方向均勻排列共30屏，每屏由20根管子繞制而成，進(jìn)口段材料T91，彎頭及出口段材料為TP347H，規(guī)格為φ38.1×7.5mm。

2 宏觀檢驗(yàn)

爆口位于鍋爐末級過熱器左數(shù)第21排外數(shù)第3圈，T91側(cè)，爆口距離T91/TP347H焊縫約1750mm，由圖1可知，爆口開口較大，爆口最大處長度約130mm，呈“魚嘴”狀，且爆口邊緣減薄嚴(yán)重，而且存在表面氧化龜裂現(xiàn)象，具有顯著的過熱爆管特征。

圖1 末級過熱器爆管宏觀照片

末級過熱器爆管與很多因素有關(guān)，其中主要有材質(zhì)因素和運(yùn)行因素等，為對末級過熱器材質(zhì)進(jìn)行組織對比和性能對比，在末級過熱器左數(shù)第21排外數(shù)第3圈爆口位置邊緣、爆口背面、遠(yuǎn)離爆口分別取3個(gè)試樣進(jìn)行分析。

3 化學(xué)成分分析

對爆管管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合ASME標(biāo)準(zhǔn)中SA213-T91鋼的成分要求，由表1可知，爆管管樣沒有錯(cuò)用材質(zhì)，也不存在成分不合格現(xiàn)象。

4 微觀組織分析

在上述爆管管樣上分別選取爆口位置邊緣、爆口背面、遠(yuǎn)離爆口進(jìn)行微觀分析。金相組織如圖2a、b、c所示。

圖2 爆口處、爆口背面、遠(yuǎn)離爆口的照片

表1 爆管管樣化學(xué)成分分析結(jié)果

由圖2可知，爆口邊緣處區(qū)域有馬氏體+回火馬氏體組織。T91管的碳當(dāng)量很高，在超溫的作用下空冷之后，在恰當(dāng)?shù)臈l件下空冷得到淬火馬氏體組織。爆口背面顯微組織也有馬氏體+回火馬氏體組織。遠(yuǎn)離爆口約500mm的位置管子內(nèi)壁氧化皮厚度約為0.255mm，且氧化皮形態(tài)疏松，部分區(qū)域存在脫落的現(xiàn)象。該樣管的超溫區(qū)間位于A1和A3之間，這個(gè)區(qū)間部分鐵素體轉(zhuǎn)化為奧氏體，冷卻下來奧氏體轉(zhuǎn)化為淬火馬氏體，碳化物不溶解反而粗化，Laves相溶解。三處的金相點(diǎn)硬度如表2所示，均高于所規(guī)定的數(shù)值上限。

表2 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果（HBW）

5 機(jī)械性能檢驗(yàn)

對管樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測得拉伸試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，管樣的抗拉強(qiáng)度在其范圍內(nèi)。

表3 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)果及討論

末級過熱器管發(fā)生爆管，爆口在T91側(cè)，為短時(shí)超溫導(dǎo)致，金相照片中看出T91管內(nèi)壁均存在較厚的氧化皮，厚度約0.25mm。該鍋爐已經(jīng)運(yùn)行6.1萬小時(shí)，根據(jù)上述分析，爆管的原因是在鍋爐起爐時(shí)，溫度上升過快，導(dǎo)致末級過熱器氧化皮脫落在下部彎頭處堆積，堆積的氧化皮減少了管道的流通截面積，使末級過熱器發(fā)生過熱而爆管。

氧化皮的剝落與否，主要取決于氧化皮與母材之間熱膨脹系數(shù)的差異，熱膨脹系數(shù)相差越大，氧化皮越容易剝落。氧化皮的膨脹系數(shù)約為0.9×10-6，T91的膨脹系數(shù)約為12×10-6，TP347H的膨脹系數(shù)約為18×10-6。由于氧化皮與母材之間熱膨脹系數(shù)的差異，當(dāng)氧化皮厚度達(dá)到一定值后，在溫度發(fā)生變化時(shí)，氧化皮即很容易從金屬本體剝離。尤其是溫度發(fā)生反復(fù)或劇烈的變化時(shí)，如鍋爐啟停、停爐時(shí)強(qiáng)制通風(fēng)快速冷卻，都會加速氧化皮的剝落。

7 防范措施

為防止氧化皮的快速產(chǎn)生和剝落，主要從受熱面管金屬材料選擇、機(jī)組運(yùn)行等方面采取防范措施，避免爆管的發(fā)生。

（1）受熱面管應(yīng)選擇抗氧化性能優(yōu)異的金屬材料。一般情況是：高鉻鋼抗氧化性能優(yōu)于低鉻鋼；奧氏體鋼抗氧化性能優(yōu)于鐵素體鋼；冷作硬化鋼（如噴完處理）抗氧化性能優(yōu)于非冷作硬化鋼。

（2）鍋爐啟動(dòng)過程中加強(qiáng)冷態(tài)、熱態(tài)沖洗工作，嚴(yán)格控制熱態(tài)沖洗和冷態(tài)沖洗的水質(zhì)指標(biāo)；充分利用旁路系統(tǒng)進(jìn)行低壓大流量蒸汽沖洗，保證剝落氧化皮等雜質(zhì)被沖洗干凈，并注意控制水質(zhì)中鐵和二氧化硅的含量。

（3）嚴(yán)格控制鍋爐升溫速度和升壓速度，監(jiān)視爐膛出口煙溫，煙溫升速應(yīng)控制在小于2℃/min。應(yīng)避免使用減溫水，尤其是使用二級減溫水。

（4）在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，機(jī)組負(fù)荷在50%BMCR以上時(shí)升降負(fù)荷速率小于1.5%BMCR/ min，負(fù)荷在50%BMCR以下時(shí)升降負(fù)荷速率小于1%BMCR/min，負(fù)荷調(diào)整過程中，應(yīng)控制好水煤比，防止水煤比失調(diào)，要嚴(yán)格控制高溫受熱面溫度，嚴(yán)禁鍋爐發(fā)生超溫運(yùn)行。

（5）在機(jī)組發(fā)生故障跳機(jī)，故障比較清楚情況下，不影響汽輪機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)前提下，要盡快進(jìn)行汽輪機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行，避免鍋爐高溫受熱面出現(xiàn)大幅度降溫。

（6）機(jī)組停運(yùn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)鍋爐受熱面的檢查工作，及時(shí)清理受熱面管內(nèi)氧化皮等。可采用氧化皮測厚、內(nèi)窺鏡檢查、拍片檢查等，本著逢停必檢的原則，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

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[3]王力園.600MW機(jī)組鍋爐高溫受熱面氧化皮剝落原因分析及防治措施[J].廣東電力.2011,24(3):52-55.

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