火力發(fā)電廠末級(jí)過(guò)熱器短期超溫失效分析及預(yù)防措施

張海軍，田永財(cái)

（1.國(guó)家電投集團(tuán)寧夏能源鋁業(yè)有限公司臨河發(fā)電分公司，銀川　751400；2.寧夏英力特化工股份有限公司熱電分公司，寧夏　石嘴山　753600）

0　引言

發(fā)電廠鍋爐受熱面爆管嚴(yán)重影響著電力安全生產(chǎn)，制約著企業(yè)發(fā)展，并且呈逐年增高的趨勢(shì)。尤其超溫引起的爆管，在爆管事故中占比較高。短期超溫爆管是一種常見(jiàn)的受熱面失效類型，原因往往是管內(nèi)工質(zhì)傳熱短時(shí)間惡化，管壁溫度急劇上升，金屬性抗拉強(qiáng)度隨之下降，最終導(dǎo)致爆管。研究此類爆管的機(jī)理和特征有助于提出針對(duì)性的預(yù)防措施，從而最大程度地避免受熱面短期超溫爆管，提升機(jī)組的可靠性。

1　設(shè)備概況

某發(fā)電廠鍋爐系超臨界壓力、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、π型布置的直流、褐煤鍋爐。鍋爐采用墻式切圓方式燃燒，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上。該鍋爐在運(yùn)行中末級(jí)過(guò)熱器管突然發(fā)生爆管，隨即緊急停爐。該過(guò)熱器管材質(zhì)為SA213-T91，規(guī)格為Φ50 mm×10 mm，為查明此次爆管原因，對(duì)泄漏管段進(jìn)行了全面檢驗(yàn)、分析。

2　檢查分析

2.1　宏觀檢查及幾何尺寸測(cè)量

為詳細(xì)了解管樣情況，將爆管管段切割為1與2號(hào)管樣，見(jiàn)圖1。1號(hào)管樣為爆管樣，爆口位于向火側(cè)，呈喇叭狀，管壁減薄明顯，爆口邊緣鋒利，與文獻(xiàn)[1-3]研究一致。張口寬約150 mm，外壁有氧化皮和紅褐色銹層，且存在縱向裂紋，爆口右側(cè)脹粗明顯。2號(hào)管樣是爆口臨近部位管樣，長(zhǎng)約700 mm，彎曲是因?yàn)楸芎笫芰σ鸬摹?/p>

圖1　爆管管段宏觀形貌

對(duì)爆管管樣外徑進(jìn)行測(cè)量，管樣截面編號(hào)見(jiàn)圖1（c），測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由測(cè)量結(jié)果可知：1號(hào)管樣爆口處最大蠕變應(yīng)變?yōu)?00.32%，表明1號(hào)管樣最大蠕變應(yīng)變明顯超出DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》[4]中對(duì)T91類管子外徑蠕變應(yīng)變不大于1.2%的規(guī)定。1號(hào)管樣向火側(cè)爆口邊緣處最小壁厚為2.33 mm，壁厚減薄率為76.7%，其余位置壁厚值在7.04～10.91 mm之間，由上可知，1號(hào)管樣爆口處明顯減薄，不滿足DL/T 939-2005《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則》[5]規(guī)定的高溫段過(guò)熱器管壁厚減薄量不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)壁厚的20%的要求。綜上所述，1號(hào)管樣發(fā)生了明顯蠕脹。

2.2　金相分析

對(duì)爆管管樣取金相樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕后，在金相顯微鏡下進(jìn)行氧化皮形貌和顯微組織形貌觀察，分析結(jié)果見(jiàn)表2，顯微組織照片見(jiàn)圖2。

表1　1號(hào)管段幾何尺寸測(cè)量結(jié)果

表2　1號(hào)管樣金相樣取樣情況、分析結(jié)果

2.3　硬度試驗(yàn)

對(duì)各金相樣按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度實(shí)驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》[7]進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知：1號(hào)管樣爆口處的硬度值均高于ASME SA-213/SA213M《鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》[8]對(duì)新鋼管的硬度值要求，尤其是爆口邊緣處的硬度值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求，這是由于汽水噴射在了處于相變溫度以上的爆管處管子，猶如發(fā)生了不同程度的淬火所致。

2.4　拉伸性能試驗(yàn)

由于1號(hào)管樣已爆裂，因此從2號(hào)管樣的向火側(cè)和背火側(cè)各取1個(gè)試樣，按照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[9]進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：2號(hào)管樣T91管段向火側(cè)的斷后伸長(zhǎng)率以及背火側(cè)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度均低于文獻(xiàn)[8]對(duì)新鋼管要求下限；且其向火側(cè)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于背火側(cè)，斷后延伸率遠(yuǎn)低于背火側(cè)，這與管子的組織相變有關(guān)。

圖2　顯微組織形貌

表3　金相樣硬度值檢測(cè)結(jié)果

表4　拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

2.5　化學(xué)元素分析

對(duì)1號(hào)管樣進(jìn)行了X射線能譜半定量分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知：所檢管樣合金元素符合文獻(xiàn)[8]對(duì)T91的要求。

表5　主要合金成份分析結(jié)果%

2.6　掃描電鏡分析

在SEM（掃描電子顯微鏡）下對(duì)1號(hào)管樣爆口進(jìn)行觀察。發(fā)現(xiàn)爆口表面有較厚垢層，清洗前后爆口表面形貌見(jiàn)圖3所示。由圖3可知，爆口為準(zhǔn)解理+孔洞形貌，未見(jiàn)蠕變孔洞，斷口存在的孔洞是大變形情況下晶間產(chǎn)生的孔洞。

3　分析探討

管樣脹粗明顯，爆口呈喇叭形，其邊緣鋒利。爆口處組織為相變組織，呈帶狀分布，爆口附近可見(jiàn)大量孔洞及微裂紋，孔洞為大塑性變形下形成的孔洞，爆口呈準(zhǔn)解理形貌，爆口處硬度值明顯超出標(biāo)準(zhǔn)要求，且爆口附近的硬度值不均勻，局部硬度值遠(yuǎn)高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求上限，爆口附近力學(xué)性能異常，以上現(xiàn)象均為典型的短時(shí)過(guò)熱爆管的特征。表明末級(jí)過(guò)熱器管在運(yùn)行過(guò)程中，冷卻條件惡化、干燒，使管壁溫度短期內(nèi)突然升高，溫度達(dá)到臨界點(diǎn)以上，鋼的抗拉強(qiáng)度急劇下降，管子應(yīng)力超過(guò)屈服極限，產(chǎn)生剪切斷裂而爆管，由于短時(shí)超溫的管壁溫度高于Ac3（上臨界點(diǎn)溫度）[10]，因此爆口邊緣處存在完全相變組織，而處于相變溫度以上的管子，在爆管時(shí)的汽水噴射猶如不同程度的淬火，使得爆口周圍管材的硬度值明顯增加[11]。因此，該鍋爐末級(jí)過(guò)熱器爆管是短時(shí)過(guò)熱所致的短期超溫爆管。

圖3　爆口表面形貌

4　預(yù)防短期超溫爆管的措施

（1）建議每次檢修期間對(duì)管屏進(jìn)行宏觀檢查、管徑測(cè)量并進(jìn)一步取樣進(jìn)行比對(duì)分析，實(shí)行管子全壽命期動(dòng)態(tài)管理。同時(shí)加大氧化皮檢測(cè)力度，防止內(nèi)部氧化物堆積造成管子短期過(guò)熱從而導(dǎo)致爆管。

（2）鍋爐運(yùn)行中嚴(yán)格控制蒸汽溫度和金屬壁溫，嚴(yán)禁超溫運(yùn)行[12]，最大程度地抑制氧化皮產(chǎn)生，改善鍋爐燃燒和調(diào)整運(yùn)行控制技術(shù)，增加溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)[13]。完善考核制度，將管屏溫度納入小指標(biāo)考核體系[14]。

（3）建立受熱面管理檔案，對(duì)受熱面管失效原因、次數(shù)、位置等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)管子壽命、泄露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。在設(shè)計(jì)制造、安裝、檢修、運(yùn)行環(huán)節(jié)采取提高質(zhì)量和預(yù)防性措施[15]，防止發(fā)生爆管，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5　結(jié)語(yǔ)

鍋爐受熱面爆管嚴(yán)重威脅著機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，在給發(fā)電廠帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和人員傷亡。針對(duì)此次事故，發(fā)電廠應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督、可靠性管理和采取針對(duì)性措施，從而最大程度地避免爆管事故的發(fā)生。