鍋爐前屏過熱器爆管原因淺析

杭州華電半山發(fā)電公司 郭可偉 馬春江 丁勇能

某電廠4號鍋爐前屏過熱器管發(fā)生爆管。停爐以后即進行割管檢查，并作了宏觀測量、金相顯微組織和力學(xué)性能試驗分析，由此確定了爆管的原因。

該電廠4號鍋爐是SG-420/140-M415 型煤粉直流燃燒鍋爐，π 形布置，燃燒器采用四角切向布置的直流燃燒器。爐膛上部出口處按煙氣流向分別布置6 片前屏過熱器，其后布置14 片后屏過熱器。高溫對流過熱器布置在折焰角的斜坡上，低溫過熱器由左右側(cè)包復(fù)、后墻及爐頂過熱器組成。設(shè)計過熱蒸汽流量420 噸/小時，過熱蒸汽溫度540 攝氏度，過熱蒸汽壓力13.72兆帕。

在累計運行高達136000 小時左右、累計啟停230 余次后發(fā)生爆管，被迫停爐進行檢修。爆管具體位置為前屏過熱器東向西數(shù)第四屏的外圈管子定位管。該定位管按管排的結(jié)構(gòu)形狀彎制定形固定管排，并在此布置一道焊口。根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑匿摴懿牧弦?guī)格為Φ38×4.5 毫米的10CrMo910 鋼。爆管時引起該管在焊口附近斷裂，連接焊縫側(cè)斷口呈橢圓形喇叭狀，另一側(cè)斷口則已完全展開。爆破口兩側(cè)的管子均有明顯脹粗現(xiàn)象。

斷口宏觀檢查測量

1.爆破管的宏觀形貌

割管以后對爆破管及相關(guān)的損傷管子進行宏觀測量檢查。起始爆破管管子軸向展開，其宏觀形狀如圖1所示。

2.爆口宏觀數(shù)據(jù)實測

圖2為爆破管實測數(shù)據(jù)示意圖。

爆破口兩側(cè)的管子呈明顯脹粗狀態(tài)，實測數(shù)據(jù)見表1。

圖1 爆破管及附近汽流沖蝕管子宏觀

表1 爆破管脹粗宏觀測量數(shù)據(jù)

表2 附近沖蝕管宏觀實測數(shù)據(jù)

爆破時強大的高溫高壓氣流沖刷附近管排，引起該屏東西兩側(cè)橫向水平管、中間U 形管彎頭兩內(nèi)側(cè)等多處泄漏，水平連通管與附焊件碰撞引起機械損傷。宏觀測量數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)以上實測數(shù)據(jù)分析，在離制造廠焊縫約55 毫米處發(fā)生爆破，爆口展開處有明顯的減薄現(xiàn)象，最薄處僅有1毫米，只占原始壁厚的22%，爆口兩側(cè)2～3 米范圍內(nèi)的管壁均有脹粗現(xiàn)象，經(jīng)測量最大脹粗率為10.5%，大大超出DL438-2000《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》合金鋼過熱器管外徑蠕變變形2.5%的規(guī)定。

3.制造廠焊縫存在嚴重的裂紋性缺陷

爆口附近的焊縫是由制造廠通過碰焊的焊接方法完成的。對該焊縫解剖檢查，發(fā)現(xiàn)在焊縫根部和外弧表面均有裂紋缺陷，用表面滲透探傷方法進一步檢測到裂紋在焊縫中心位置上的連續(xù)性。其中焊縫外弧表面裂紋環(huán)繞整圈焊縫，焊縫根部的表面裂紋也超過整圈周長的50%，深度均在2 毫米左右。圖3、圖4為該焊縫宏觀形貌和焊縫裂紋橫斷面示意圖。

力學(xué)性能試驗

為了了解爆破管脹粗段的力學(xué)性能和未脹粗變形管段的力學(xué)性能，我們分別進行了割管試驗，取樣位置見圖2和表3，力學(xué)性能試驗結(jié)果見表4。

表1和表2分別計算了第二種和第三種情況下的投資因子變化。在第二種情況下，因為公司是永續(xù)增長，所以投資因子比較大，其值大約在15-36之間。在第三種情況下，因為只有前三年增長，以后是零增長，所以投資因子的范圍在10-15之間。第一種情況是零增長模型，比較簡單，取R為9%、10%、11%時，投資因子分別為12.11、11、10.09。

割管光 譜材質(zhì)復(fù) 核為Cr、Mo、V鋼，估計通常為12Cr1MoV 耐熱鋼，與實際提供的技術(shù)資料10CrMo910 牌號不相符。按12Cr1MoV 鋼的以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，脹粗管和未脹粗變形管在室溫下的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》的技術(shù)要求。有資料研究表明：12Cr1MoV 在長期的高溫高壓下運行，當(dāng)珠光體球化時，都將使常溫力學(xué)性能根據(jù)球化等級的不同而相應(yīng)下降。但4號爐前屏過熱器在運行了136000 小時后，其常溫力學(xué)性能變化并不是很大，所有技術(shù)指標(biāo)均在合格范圍內(nèi)，說明其還有一定的使用壽命期。

金相顯微組織分析試驗

1.微觀金相取樣的選定

為了進一步分析爆管的原因，我們在爆破管上的脹粗位置和爆口展開位置的有代表性部位分別選取了多個金相試樣；為了作對比，在未脹粗變形的管段上也選取了金相試樣。具體位置如圖2所示。另外，因為在爆口附近制造廠的焊縫內(nèi)外表面均發(fā)現(xiàn)裂紋，故也對其進行了焊縫橫斷截面的金相分析。

圖2 爆破口宏觀示意圖

圖3 制造廠焊縫內(nèi)外表面裂紋宏觀

圖4 制造廠焊縫橫斷面表面開裂示意圖

表3

表4

圖5 未脹粗管

圖6 爆口上金相組織

圖7 脹粗管段金相組織

圖8 焊縫母材金相組織

2.微觀組織分析

（1）圖5為珠光體區(qū)域內(nèi)碳化物已經(jīng)顯著分散，珠光體區(qū)域形態(tài)已經(jīng)不明顯。大部分碳化物已分布于鐵素體的晶內(nèi)或晶界上。按照“12Cr1MoV 鋼球化級標(biāo)準(zhǔn)”（草案）評定為3～4級。

（2）圖6、圖7為爆口和脹粗管的顯微組織，珠光體也已經(jīng)分解但其形態(tài)仍舊可見。由于管子在爆破瞬間都發(fā)生了很大的變形，所以顯微組織具有一定的方向性，即沿著受力方向組織發(fā)生畸變。

（3）圖8、圖9、圖10為制造廠碰焊接頭焊縫金相組織。由于該焊口采用的是碰焊焊接方法，通電以后加熱加壓使得兩管子端口局部熔化而達到原子間的結(jié)合，其熱影響區(qū)較小，真正組成焊縫的是局部變形隆起的母材，與添加填充金屬相比的焊接接頭，相當(dāng)于處在稍離焊縫的母材熱影響區(qū)上，因此其呈現(xiàn)分布不均勻的不完全正火區(qū)的鐵素體與珠光體組織。

（4）圖11、圖12為焊縫的內(nèi)外表面裂紋缺陷，可以看出裂紋已經(jīng)達到了一定的深度。

試驗結(jié)果分析

1.宏觀檢查爆口張開很大，爆破口處管壁明顯變薄，最薄處僅為1～1.3 毫米。爆口光滑，整個管子內(nèi)外表面均未見較厚的氧化皮，有屬于短時過熱爆口類型的特征。

2.在爆口附近有一制造廠焊口，從焊縫橫向取樣觀測到該焊縫外緣和根部上各有一道深度約2 毫米左右的裂紋，外表面環(huán)繞整個管子周長，根部達到周長的50%，且焊縫根部突出，通流面積明顯減小。

3.管徑測量中發(fā)現(xiàn)爆破管在制造廠焊口兩端約3 米范圍內(nèi)有明顯脹粗現(xiàn)象，測得管徑脹粗直徑為Φ39～Φ42毫米，最大蠕變變形約為10.5%。爆口緊挨制造焊口，管壁明顯變薄，僅為3.75 毫米。其余管子測量均正常。

4.按設(shè)計圖紙?zhí)峁┑牟牧弦?guī)格為Φ38×4.5 毫米、10CrMo910 鋼材，而實際光譜材質(zhì)復(fù)核見到明顯的Cr、Mo、V 元素譜線，說明實際使用材料與設(shè)計圖紙標(biāo)定的材料不符。

5.金相顯微組織分析爆破口處和脹粗管珠光體分解，呈中度球化狀態(tài)。

6.爆口附近和未脹粗管的力學(xué)性能試驗均符合GB5310 和YB529 等標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)。

7.管子內(nèi)彎弧外表面存在多處嚴重的機械硬傷。

分析意見

屏式過熱器布置在爐膛火焰中心上方，受到爐膛直接熱輻射，工作環(huán)境惡劣。從1984年投運至今，該機組已累計運行136000 小時左右，啟停230 余次，按常規(guī)的10 萬小時設(shè)計，12Cr1MoV 材料已經(jīng)達到了設(shè)計壽命。同時由于該屏式過熱器采用了新型固定結(jié)構(gòu)，用作管夾的脹粗管兩端均定制為“S”形彎頭，可能蒸汽通流阻力較大，中間又有焊口，減少了通流截面，所以也不排除有被異物堵塞的可能性。因此可以認為該管脹粗爆管是一次單獨事故現(xiàn)象。

圖9 焊縫金相組織

圖10 焊縫熱影響區(qū)

圖11 焊縫表面裂紋情況

圖12 焊縫根部裂紋情況