电站锅炉高温过热器爆管失效分析及对策

张健，陈国宏，方振邦，王若民，张海，郭晓妮



电站锅炉高温过热器爆管失效分析及对策

张健1，陈国宏1，方振邦1，王若民1，张海1，郭晓妮2

（1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2.宁德新能源科技有限公司，福建 宁德 352000）

高温过热器管为电站锅炉重大高温承压部件，如发生泄漏或爆管将直接影响到整个机组的安全可靠运行，同时也会给电厂企业造成较大的经济损失。通过电厂高温过热器爆管的宏观检验以及微观组织和力学分析，从而确定是由于氧化皮堆积导致的长期超温爆管，并且提出了相应的措施，为确保机组的安全可靠运行提供理论依据。

电站锅炉；过热器；氧化皮堆积；微观组织

高温过热器管作为电站锅炉四大管道之一，其作用是将饱和蒸汽定压加热到过热蒸汽。过热器是锅炉最复杂的受热面[1-3]，受热面管壁温度高，管内蒸汽温度高，高温烟气除了受热面进行对流换热外，还对受热面进行辐射换热。当受热面受到烟气腐蚀、高温腐蚀或者锅炉结构不当导致受热面管内壁通流流量减小时，往往会使部分管壁超过许用温度，热稳定性下降，甚至造成受热面管壁过热、爆管等[4-7]。过热器对锅炉的安全性和经济性有着重要意义[8-10]，它的运行工况不仅决定着主蒸汽品质的高低，而且关系着锅炉的安全运行。

某电站锅炉的额定蒸发量为220 t/h，额定蒸汽压力为10.3 MPa，额定蒸汽温度为540 ℃，于1987年制造，1988-12投产，锅炉运行期间曾出现炉膛大面积结焦现象，截至目前高温过热器爆管前锅炉累计运行143 195.95 h。该电站高温过热器蛇形管共74屏（三管圈），其中冷端布置在高温过热器两侧各19屏，热段布置在中间共36屏。该高温过热器管规格为Φ42×5 mm，材质为12Cr1MoVG。

本文通过对该电站高温过热器爆管的宏观检验以及微观组织和力学分析，确定其爆管原因并且提出了相应的措施，为确保机组的安全可靠运行提供理论依据。

1 试验材料与方法

用游标卡尺检验该爆管的胀粗，制备爆口处、爆口附近、远离爆口处的金相试样，然后磨制抛光，采用质量分数为3%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，分别置于蔡司倒置式金相显微镜下观察，仪器型号为Axio Observer；使用THB-3000MDX型自动布氏硬度计，对金相试样进行硬度测试，测试位置在金相试样的金相面上。试验条件：负荷187.5 kgf、钢球直径2.5 mm、负荷保持时间15 s，试样测量3次，结果取平均值；在远离爆口处制备拉伸试样进行力学性能试验，仪器为CMT5105电子万能试验机。

2 试验结果及讨论

2.1 宏观检验

根据图1可以看出，21-2管为第一爆口，附近区域21-1管、22-1管、22-2管、22-3管为21-2爆管泄漏蒸汽冲刷引起局部冲损减薄泄漏。因此，取21-2管进行失效分析。爆口位于“U”形管的弯头向火侧处，爆口粗糙不平整，开口较小，呈脆性爆管特征，外壁存在轴向裂缝，呈蠕变形貌，爆口附近壁厚实测4.6 mm，减薄相对较小，胀粗率为4.9%，且爆口周围存在较为严重的氧化皮，外壁有氧化皮脱落现象。送样管爆管爆口较小，管壁减薄相对较小，管径有胀粗现象，爆口周围存在较为严重的氧化皮，呈现明显的长期过热特征。

图1 高温过热器管图

2.2 金相试验

根据图2可以看出，爆口内壁有约300 mm的氧化皮，外壁的氧化皮有明显的脱落现象，该部位组织珠光体形态消失，晶界有明显的碳化物聚集特征，球化5级。

图2 高温过热器管爆口处显微组织

图3 高温过热器管爆口附近处显微组织

图4 高温过热器管弯头处显微组织

根据图3可以看出，爆口附近内壁处也存在大量的氧化皮，且氧化皮形态呈现两层状态，内层为致密的氧化皮，外层为疏松的氧化皮，外壁存在氧化皮脱落现象，另外可以看出在氧化层内层有腐蚀裂纹，沿着晶界向管内部扩展。

根据图4可以看出，弯头处金相组织珠光体形态消失，晶界有明显的碳化物聚集，内壁氧化层厚度约460 μm，呈现两层形态。

图5 远离爆口处显微组织

根据图5可以看出，金相组织为铁素体+珠光体，聚集态的珠光体区域已经开始分散，但是仍保持原有的区域形态，晶界处有少量碳化物聚集，球化2.5级。内外壁均存在大量的氧化皮。长期过热爆管是蠕变损伤的一种形式，可分为以应力为主的蠕变失效和以温度为主的蠕变失效。以应力为主的蠕变失效也称为楔形裂纹蠕变断裂（“W”形蠕变断裂）。高温下，晶界是黏滞性，在较大外力作用下，晶界将产生滑移，在晶粒的交界处产生应力集中。如果晶粒的形变不能使应力集中得到松弛，且应力集中达到晶粒开裂的程度，则在晶粒的交界处产生楔形裂纹。以温度为主的蠕变失效也称为孔洞型蠕变裂纹（“R”形蠕变裂纹）。在形变速率小、温度较高的低应力蠕变中，首先在晶界上形成孔洞，然后孔洞在应力作用下继续增多、长大、聚集，连接成微裂纹，微裂纹连通形成宏观裂纹，直至断裂。

送样管爆口组织以及爆口附近组织存在蠕变孔洞现象，初步判断为楔形裂纹蠕变断裂（“W”形蠕变断裂）导致的爆管。弯头处金相组织可以看出有大量的氧化皮，厚度约460 μm。该部位氧化皮厚度较厚，外层呈现疏松形态，可能在爆管的时候，部分疏松的氧化皮被吹去，内层为致密形态。当氧化皮厚度较厚时，管内的蒸汽与外部的热能量交换较少，蒸汽不能将热能量带走，严重影响热交换面积，导致管外壁的金属壁温升高，使管长期处于高温服役状态。

高温蒸汽管内的铁会与水蒸气发生反应，生成氧化铁系列如Fe4O3、Fe2O3、FeO，并放出氢气，最初生成的氧化层主要由Fe4O3构成，这层氧化皮比较致密，随着时间的推移和长期受高温介质影响，内壁氧化层的主要成分为Fe4O3和Fe2O3，都比较致密，且晶格缺陷较多。另外钢表面在蒸汽中生成氧化膜是个自然过程，在开始时膜形成很快，一旦膜形成后，进一步的氧化便慢下来，与时间呈抛物线关系。而金属在长期高温高压环境作用中运行并受到频繁交变影响，氧化和时间变成了直线关系，氧化皮生成速度就会加快并越积越厚。爆口附近外壁金相组织可以看到有大量的纵向裂纹，从外向内扩展沿着晶界扩展，裂纹内部充满大量的氧化皮，因此外壁存在腐蚀现象，而且是长期腐蚀导致。

2.3 硬度检验

依据《金属布氏硬度试验第1部分试验方法》（GB/T 231.1—2009），使用THB-3000MDX型自动布氏硬度计，对试验试样进行硬度测试，测试位置是在金相试样的金相面上进行的。试验条件：负荷187.5 kgf、钢球直径2.5 mm、负荷保持时间15 s，试样测量3次，结果取平均值，试验结果如表1所示。

表1 布氏硬度试验结果（HB）

位置硬度值/HBW 爆口处115 爆口附近处113 远离爆口处150 弯头处140 DL/T 438—2016135～195

从表1中可以看出，爆口以及爆口附近的硬度值低于标准范围的下限值。

2.4 机械性能检验

拉伸力学性能测试主检设备：深圳三思纵横科技股份有限公司，CMT5105电子万能试验机。在所送样品按标准规定加工机械性能试样，经拉伸试验、样品试验2次，测得拉伸性能数据如表2所示。从表2中可以看出，该管抗拉强度、屈服强度和延伸率下降，接近标准范围的下限值，表现出明显的力学性能恶化趋势。

表2 试样的拉伸试验结果

抗拉强度/MPa下屈服强度/MPa伸长率/（%） 121212 试样4924913413312222 GB/T 5310—2017470～640≥255≥21

3 结论

通过分析得出结论：①根据以上微观组织以及力学性能试验分析可以判断该爆管为长期过热导致。②爆口位于弯头附近，爆口内外壁存在大量的氧化皮，且爆口附近存在很多纵向裂纹，较厚的氧化皮堆积导致通流换热流量较少，炉膛的辐射热量不能及时由管内的介质带走，而管内长期形成的氧化皮又会直接影响热传导与热交换，从而使氧化皮附着部位金属发生局部超温，导致金属性能发生恶化。③管外壁有大量的腐蚀裂纹，怀疑是烟气腐蚀导致，当采用的燃烧煤含有较多的S或者Cl元素时，往往会在管壁薄弱的部位先发生小孔腐蚀，进一步扩展，随后腐蚀进一步加速，逐步向管壁内侧加剧，加剧了爆管的发生。

4 预防措施

具体预防措施为：①为了预防过热器管超温，在运行中，应严格按运行规程规定操作，锅炉启停时应严格按照启停曲线进行，控制扩散参数和过热器管壁温在允许范围内，严密监视锅炉参数、蒸发量和水位等主要指标。②做好锅炉燃烧调整，防止火热偏差，加强吹灰和吹灰器管理，防止受热面严重结焦，保证锅炉给水品质正常及运行中汽水品质合格等。③定期进行化学清洗，去除异物、沉积物等，对应力氧化皮裂纹管子寿命已接近设计寿命的，可将损坏的管子予以更换。

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2095－6835（2018）21－0016－03

TK223

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.016

张健（1991—），男，安徽合肥人，硕士，主要研究方向为电厂金属材料失效分析。

〔编辑：严丽琴〕