一起600MW機組鍋爐高溫過熱器爆管的原因分析

山西電建檢修工程科技有限公司 程學(xué)軍

某發(fā)電公司鍋爐型號是DG2060/17.6-II3，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2060t/h，過熱蒸汽壓力為17.31MPa，額定工作溫度為541℃。高溫過熱器位于水平煙道上方，沿爐膛寬度方向共有60片，沿煙氣流向共有兩組，第一組U型受熱面由10根Φ57管子組成，管子規(guī)格為φ57×9、管材為SA-213T91、橫向節(jié)距S1=1273mm。第二組U型受熱面由10根Φ51管子組成，管子規(guī)格為φ51×9、管材為SA-213T91、橫向節(jié)距S2=1278mm，滑動塊定位，第一組和第二組在頂部用大小頭相連。高溫過熱器出口集箱設(shè)為兩個,出口全部在爐左。為減小流量偏差使同屏各管的壁溫比較接近，在高過入口聯(lián)箱處均設(shè)置了不同尺寸的節(jié)流孔。

某年11月26日21時左右，機組負荷600MW、機組凝補水量由15.3T/h漲至74T/h、汽水偏差70T/h，22時08分汽水偏差漲至110T/h。就地檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐水平煙道右側(cè)高過、高再區(qū)域異音較大，初步判斷為高過或高再受熱面管泄漏。于11月27日01時25分機組停運。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，鍋爐高過二級受熱面左數(shù)第50排迎火側(cè)第10根管子發(fā)生爆管，爆口標高約52米。高過第50排迎火側(cè)第10根管子爆管后受沖擊力影響變形出列至前包墻處，造成前包墻右數(shù)第16排、49.8米高再左數(shù)第119排、120排、121排發(fā)生不同程度的泄露，前包墻頂部部位的頂棚管有2根不同程度的吹損泄露。

1 爆管、爆口現(xiàn)象描述及分析

爆管現(xiàn)場情況以及爆口宏觀形貌：高過二級管第50排迎火側(cè)第10根爆口的宏觀特征，爆口沿管子縱向開裂，受管內(nèi)蒸汽壓力的作用爆口的壁厚減薄較多,爆口邊緣不鋒利，爆口張開較大，爆管破口脹粗明顯且沿爆口縱向有裂紋，具有長期過熱爆口的宏觀特征。高過二級管第50排迎火側(cè)第11根（與第10根組成一個U型彎）標高53米有三處蠕漲，其中一處管子開裂，蠕漲分別為58.8mm、53.55mm、54.8mm，表明管子存在長期過熱現(xiàn)象。通過對爆口宏觀分析及管子蠕漲分析，該U型管存在長期過熱現(xiàn)象。

管材金屬元素化學(xué)成分含量為：C0.066%、Mn0.498%、S0.009%、Si0.496%、Cr9.371%、Mo0.982%、V0.279%、Nb0.161%、Ni0.00%。

金相檢驗：在現(xiàn)場爆破管段的不同部分分別進行取樣，在實驗室金相組織檢查對比，試驗結(jié)果顯示取樣T91材料中的回火馬氏體出現(xiàn)了變化，典型馬氏體形態(tài)顯示不明顯，碳化物部分已積聚在一起，并在材料原來的奧氏體中局部晶界位置出現(xiàn)了一些孔洞，組織表現(xiàn)出過熱老化的現(xiàn)象。

力學(xué)性能：使用專業(yè)設(shè)備對破損管段進行了材料拉伸、沖擊性能檢驗記錄和材料的硬度檢測。按照相關(guān)標準要求，合金材料T91的硬度檢測值理論上應(yīng)在180～250HB之間。對爆管段附近管壁進行材料硬度檢測，結(jié)果該段管壁處的硬度平均值在130HB上下，朝介質(zhì)出口方向管壁材料的硬度值逐漸上升至正常范圍，而另一端取樣管壁的焊縫及材料熱影響區(qū)的硬度檢測值都在正常要求范圍內(nèi)。

運行參數(shù)分析：高過左數(shù)第50排沒有壁溫測點，可參考相鄰第51排的壁溫情況，壁溫測點分別位于第1、4、9、10根，機組啟動后，運行中壁溫測點未出現(xiàn)超溫情況。機組啟動時，高過左數(shù)第51排溫度波動異常，受熱面管壁溫升過快且溫度波動，可能引起管內(nèi)壁氧化皮的剝落。隨后對破損管段的入口聯(lián)箱連接管座現(xiàn)場進行高清度內(nèi)窺鏡查看，沒有發(fā)現(xiàn)存在雜物堵塞痕跡。

2 常見超溫爆管的原因分析

2.1 局部長期過熱

局部長期過熱是指過熱器管排局部管壁的運行溫度長時間處在鍋爐的設(shè)計值以上，并在金屬材料的下臨界溫度限值之下，過熱管壁溫雖然不很高但持續(xù)時段長，致使過熱器管壁附著氧化物變薄，持續(xù)效應(yīng)致使管壁金屬蠕變速度增加，金屬管徑隨之膨脹變粗，在承受不住壓力的最薄弱位置出現(xiàn)破裂?？偨Y(jié)來說造成管排局部管壁過熱破裂的表現(xiàn)主要高溫蠕變型、應(yīng)力氧化裂紋型和氧化減薄型[1]。第一種和第二種主要出現(xiàn)在鍋爐高溫過熱器最外圈的迎火面，而第三種主要出現(xiàn)在高溫再熱器管道內(nèi)。長期過熱破裂管破口形狀多數(shù)呈現(xiàn)為脆性斷口和破裂邊緣粗糙、不平整。

2.2 局部短時過熱

局部管壁短時過熱是指過熱器管壁溫度超過金屬材料下臨界溫度限值，導(dǎo)致金屬材料強度有所降低，在管道內(nèi)部介質(zhì)的高溫高壓作用下發(fā)生破裂。短時過熱多數(shù)發(fā)生部位為直接與爐膛火焰接觸的過熱器管排迎火面或直接受到熱輻射的受熱面。發(fā)生的根本原因是爐膛內(nèi)燃燒局部溫度過高，超過設(shè)備設(shè)計溫度。表現(xiàn)在管道內(nèi)介質(zhì)流量分布不均勻，管道內(nèi)部局部結(jié)垢現(xiàn)象嚴重或存在異物阻塞內(nèi)徑，也可能存在鍋爐設(shè)備設(shè)計時錯用強度不夠的鋼材。短時過熱破裂邊緣多數(shù)塑性變形較大，管徑明顯變粗，破口邊緣明顯減薄呈刀刃狀。

2.3 汽側(cè)氧腐蝕

指由于管道內(nèi)部介質(zhì)中氧百分比含量和酸堿pH值發(fā)生變化，對管壁金屬腐蝕變薄出現(xiàn)破裂。管內(nèi)介質(zhì)由于氧的去極化作用，在電化學(xué)反應(yīng)作用下，管內(nèi)鈍化膜破裂處出現(xiàn)點蝕形成腐蝕介質(zhì)，在循環(huán)應(yīng)力作用下腐蝕破裂。汽側(cè)氧腐蝕經(jīng)常發(fā)生在水側(cè)，慢慢延伸到金屬外表面，一般發(fā)生在停爐時發(fā)生。

2.4 金屬熱疲勞

是由于鍋爐經(jīng)常性的啟動和停爐，管道內(nèi)汽膜引起的金屬熱應(yīng)力與振動引起的交變應(yīng)力而出現(xiàn)的金屬熱疲勞損壞。其原因主要是煙氣中的S、Na、V、C1等物質(zhì)促進金屬腐蝕、爐膛由于水、吹灰導(dǎo)致熱沖擊以及管道超溫導(dǎo)致金屬材料疲勞強度降低等。金屬熱疲勞通常發(fā)生在煙道高熱流區(qū)域的管道外表面。

2.5 氧化皮脫落

2.5.1 氧化皮形成原因

高溫蒸汽管道內(nèi)表面生成氧化膜是自然過程，剛開始氧化膜形成較快，形成膜后氧化速度便開始放慢。但隨著運行時間的增加，在超溫或溫度、壓力異常波動情況下，由于管道金屬母材和氧化膜的熱膨脹能力差別較大，管道內(nèi)壁表面的氧化膜會出現(xiàn)裂紋，裂紋造成管道基體金屬直接重新暴露在氧化環(huán)境中，從而加速了金屬氧化的速度，金屬的氧化層開始向雙層或多層逐步發(fā)展。高溫過熱器金屬材料長期處在高溫高壓的介質(zhì)中，隨著設(shè)備運行時間的增長，管道內(nèi)壁氧化膜以下的金屬基體相應(yīng)發(fā)生貧化。在金屬超溫或溫度、壓力異常波動的作用下，金屬表面外層氧化物出現(xiàn)細小的裂紋向氧化膜外部擴散，很大程度上降低金屬表面在高溫下的抗氧化能力。

2.5.2 氧化皮脫落的原因

有關(guān)研究顯示，在某個溫度段金屬溫度越高氧化皮生長速度就越快。鍋爐設(shè)備主蒸汽設(shè)計溫度為541℃，金屬在該溫度下運行管道內(nèi)壁氧化皮就會生長，高溫氧化皮生長會遵循拋物線規(guī)則進行，而T91管材的氧化皮的熱膨脹系數(shù)與金屬基體材料的熱膨脹系數(shù)有較大差異，在鍋爐設(shè)備經(jīng)常性的啟動停爐時金屬氧化皮很容易脫落(幾微米就可脫落)，氧化皮脫落后使金屬基材暴露在蒸汽中，而金屬初期氧化速度極快，從而形成反復(fù)脫落、反復(fù)氧化；且脫落的氧化皮堆積降低管道內(nèi)部蒸汽流量，使其更容易出現(xiàn)溫度超高。

隨著機組運行日期的增加，管道內(nèi)壁的氧化膜厚度也相應(yīng)增加，在鍋爐的頻繁啟動、停爐或升降負荷過程中管道壁溫變化幅度很快、很大，因為金屬母材和表面氧化膜的熱膨脹系數(shù)同，金屬基體會對表面氧化膜產(chǎn)生不同方向拉或壓的作用，這會導(dǎo)致金屬表面氧化膜裂開。多層氧化膜累積達到一定厚度后，在溫度發(fā)生劇烈或多次變化時氧化皮很容易從金屬本體剝離。

2.5.3 氧化皮聚積原因

最先從金屬表面剝離的氧化皮在管排U型彎的底部停滯，因為機組啟動時的蒸汽流量較小、無法將其沖走。脫落的氧化皮不斷的積聚，數(shù)量較多時，即便在機組啟動后有較大的蒸汽流量也很難對其產(chǎn)生擾動并帶走，被堵塞的管道壁溫出現(xiàn)異常升高，嚴重情況會造成管道短期超溫破裂。在鍋爐停運冷卻過程中，也會有部分蒸汽凝結(jié)成水垢沉積于過熱器管排U型管下部掩蓋住此處剝落的氧化皮，隨著U型管底部的積水逐漸蒸發(fā)，此處的金屬表面氧化皮一層緊貼著一層，慢慢聚積成核狀堵死高溫過熱器U型管底部管道內(nèi)徑，造成管道短期超溫破裂。

3 本次管道超溫破裂分析原因

金屬材料T9l的金屬晶體組織為回火馬氏體。當運行中高過管道壁溫超過金屬材料T91的Ac1點時，在T91金屬材料中形成部分的集聚鐵素體，奧氏體晶界上碳化物聚集較多。也就是T91金屬材料破裂管段金屬組織中出現(xiàn)Ac1～Ac3兩相區(qū)不完全相變的產(chǎn)物，回火馬氏體的典型特征消滅，使得T91金屬材料的屈服強度、抗拉強度有所降低，導(dǎo)致了T91金屬材料的脆性增加，在破裂裂口出現(xiàn)了粗鈍的邊緣。

管排U型彎內(nèi)沉積的氧化皮應(yīng)該是管道內(nèi)壁氧化皮脫落造成的。在運行中管道內(nèi)壁在長期高溫蒸汽的作用下，金屬表面會不斷氧化形成連續(xù)的氧化皮，由于氧化皮的膨脹能力與金屬基體膨脹能力相比差別較大，在溫度變化時二者的熱脹冷縮變形不一致就造成氧化皮破裂從管道內(nèi)壁金屬表面剝離，而脫落的氧化皮落入U型彎底部并逐漸積累就會造成管道內(nèi)部堵塞，引起管道內(nèi)部蒸汽流量降低導(dǎo)致管道壁溫過熱出現(xiàn)管道破裂。

本次高溫過熱器爆管主要由管排管壁過熱超溫引起，而過熱超溫主要由管道內(nèi)部蒸汽循環(huán)不暢、部分管段節(jié)流或異物堵塞造成。異物堵塞主要有兩種，一是安裝或檢修的施工遺留物，另一個是設(shè)備本身長期運行自然形成的異物。

施工異物分析：鍋爐上次受熱面檢修換管是2016年4月，機組已穩(wěn)定運行6個月以上，高過入口聯(lián)箱或管內(nèi)存在施工異物堵塞節(jié)流孔的可能很??；割第50排高過入口聯(lián)箱管用內(nèi)窺鏡檢查，聯(lián)箱內(nèi)部無異物，因此施工異物造成受熱面超溫爆管可排除。

受熱面氧化皮剝落：氧化層剝落主要是金屬氧化皮和金屬間不同的機械特性造成的，氧化皮層剝落重要的原因是溫度突變，過熱器管道內(nèi)壁氧化層剝落情況主要發(fā)生在機組啟動、停爐過程中，溫度變化幅度、速率對氧化皮產(chǎn)生裂縫大小或氧化皮破裂剝落都有影響。氧化皮疏松、剝落后存在管道內(nèi)或聯(lián)箱中，致使過熱器管道內(nèi)部通流面積變窄，流過該處的蒸汽流量減少局部降溫能力下降，造成過熱器管壁過熱超溫。對高過左數(shù)第50排入口聯(lián)箱割管進行檢查，發(fā)現(xiàn)聯(lián)箱內(nèi)部氧化皮部分剝落，剝落的氧化皮進入管道內(nèi)形成節(jié)流，造成蒸汽流量不均勻，管道局部過熱破裂的可能較大。本次高過爆管是由于高過入口聯(lián)箱氧化皮剝落進入受熱面管中，管內(nèi)蒸汽量減少、管子過熱超溫引起。

4 總結(jié)爆管原因分析應(yīng)采取的防范措施

4.1 管道金屬長期、短時過熱預(yù)防

針對高溫過熱造成的管道破裂，應(yīng)及時分析管道破裂原因并采取對應(yīng)的措施。針對管道高溫蠕變破裂型，盡量積極改進過熱器受熱面的外觀，防止燃燒過程中局部溫度過高，讓管內(nèi)蒸汽流速流量均勻分配，并在停爐時及時進行管道內(nèi)部化學(xué)清理，防止外部異物和自身沉積物集聚造成管道局部過熱；對于管內(nèi)氧化裂紋破裂型，多數(shù)表示管道金屬使用壽命已到、應(yīng)及時進行更換；對氧化減薄破裂型，要在日常工作中注意對過熱器管道的保護。針對管道金屬短時過熱的具體現(xiàn)象，主要應(yīng)改進過熱面管束的形狀和流通，保證內(nèi)部蒸汽的流速流量分配合理，同時按照相關(guān)規(guī)定對管道內(nèi)部進行化學(xué)清理，消除管內(nèi)異物和累積氧化皮。

4.2 管道汽側(cè)氧腐蝕預(yù)防

針對管道汽側(cè)氧腐蝕，防止管道內(nèi)部金屬氧化物生成和采取停爐保護措施是關(guān)鍵。對于新爐，啟用時應(yīng)先進行內(nèi)部化學(xué)處理，消除內(nèi)部少量鐵屑鐵銹和其他臟物，在受熱面管道內(nèi)壁形成一層保護薄膜；設(shè)備運行中應(yīng)按照制度定期檢測內(nèi)部介質(zhì)的酸堿度pH值，按照規(guī)定適當增加鍋爐介質(zhì)中氯化物和硫酸鹽的百分比濃度。

4.3 管道金屬熱疲勞預(yù)防

防止管道金屬熱疲勞產(chǎn)生最關(guān)鍵的是要防止或減少交變應(yīng)力的產(chǎn)生，對于容易產(chǎn)生交變應(yīng)力的集中區(qū)域構(gòu)件應(yīng)提前采取一定的預(yù)防措施，同時盡可能避免鍋爐設(shè)備的頻繁操作，預(yù)防設(shè)備運行中出現(xiàn)大的強力機械振動，也可通過調(diào)整和改變設(shè)備運行參數(shù)從而減少壓力和溫度梯度的變化幅度，也減少熱偏差和相鄰管壁的溫度，避免金屬材料熱沖擊。

4.4 檢修措施

在日常制度中建立受熱面管道防磨防爆檢視制度,包括停機時及時進行管內(nèi)氧化皮測量、設(shè)備運行中壁溫曲線檢查。在設(shè)備停運時對管排彎頭進行射線檢查,確認垂直管排U型彎底部氧化層剝落堆積情況,及時分析管道內(nèi)壁氧化皮的生成趨勢和剝落嚴重程度；對鍋爐高溫過熱器管排應(yīng)做到逢停必查，檢查內(nèi)容包括管徑局部脹粗檢查、局部變形檢查、局部磨損檢查、壁厚測量檢查、管道外壁氧化皮剝落宏觀檢查、U型彎內(nèi)部氧化皮堆積情況檢查，并建立設(shè)備管理臺賬，及時分析相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢；鍋爐內(nèi)部管排外表面吹灰時，如吹掃蒸汽溫度過低容易造成受熱面氧化皮脫落，應(yīng)將吹灰的蒸汽溫度適當提高。

設(shè)備運行中，為有效防止受熱面異常超溫，可適當降低高溫過熱器壁溫超限報警的限制數(shù)據(jù)，以方便設(shè)備運行人員能提前進行擾動和調(diào)整；在停機檢修時，檢查發(fā)現(xiàn)管道有泄露、吹傷、壁厚減薄小于理論計算最小壁厚的管道必須及時更換。同時利用先進針對性檢測技術(shù)對受熱面管道內(nèi)壁氧化皮檢測，發(fā)現(xiàn)氧化皮脫落堆積嚴重的管道必須割管處理，必要時更換管道，在割管檢修時要及時封堵管口避免異物掉入。

在檢修時,發(fā)現(xiàn)高溫過熱器U型彎底部氧化皮聚積較多管段，割下U型彎后用銅棒敲擊振動垂直管段，使內(nèi)壁將要松動的氧化層脫落掉出。U型彎內(nèi)部清理后，百分之百通球檢查合格，重新對口焊接；現(xiàn)場需要更換的管段，按照金屬監(jiān)督規(guī)定對新材料進行光譜分析檢測確定無誤，鍋爐受熱面T91管材采用填充氬氣保護、氬弧焊接，焊接后按照要求進行焊口熱處理、無損探傷檢驗合格。