電站鍋爐過熱器管失效規律研究

黃 鑫，丁克勤，趙 軍

(1.北京化工大學 機電工程學院，北京 100029;2.中國特種設備檢測研究院，北京 100013）

0 引言

根據2010年發布的《電力可靠性指標》，火電機組占全國發電量的85.13%，并且隨著超臨界機組的大量投產，火力發電仍將在很長一段時間內是我國電力的主力軍。《電力可靠性指標》同時指出鍋爐的非計劃停運對整機的可用系數產生了非常大的影響。鍋爐“四管”的失效是造成鍋爐設備故障的重要原因，其中過熱器管的失效尤為突出，占到鍋爐“四管”失效的60%以上。

過熱器管布置在爐膛上方、水平煙道及豎井煙道中，管內為溫度450～650℃的過熱蒸汽，外部承受高達1 000℃的煙氣，所用的材料主要為合金不銹鋼。目前針對過熱器管的失效分析的研究，從微觀金相組織、斷裂力學、損傷力學、焊接工藝等角度都取得了一定的研究成果［1-2］。本研究借鑒相關研究成果［3-4］且結合實例分析，通過建立過熱器管失效樹，以概括過熱器不同失效模式下的損傷機理，并提出預防過熱器管失效的建議。

1 高溫過熱器管的失效模式

設備失效，即認為設備不能正常發揮原有的功能［5］;而失效模式是設備失效的表現形式，指所觀察到的失效現象。過熱器的功能是將過熱飽和蒸汽輸送到聯箱，從而進入汽輪機做功，失效模式為爐管的開裂泄漏或爆管，即從原理上都是斷裂失效。斷裂失效按失效時所表現出的形態或失效機理，分為韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂等失效類型。對于過熱器管而言，失效模式所對應的失效類型如圖1所示。

圖1 過熱器管的失效模式Fig.1 Failure modes of superheater tube

實際生產中，設備的失效是復雜的，往往是多種失效類型共同作用。因此，失效分析中需要結合現場實際工況，判斷失效類型，逐步理清造成過熱器管失效的損傷因素，并采取相應措施消除隱患。

2 高溫過熱器管不同失效的類型原因分析

過熱器管的開裂或爆管通常是由各失效類型所包含的損傷因素經過日積月累的作用而引起的。利用失效樹可以直觀地反映每種失效類型的邏輯結構，確定相應的損傷因素。

2.1 韌性斷裂

當金屬構件的塑性變形能力被耗盡時所發生的斷裂稱為韌性斷裂。也就是構件的應力已經超過了當時環境所允許的塑性強度。這種斷裂是過熱器管最常見的失效類型。

例如，2009年1月16日，某熱電廠鍋爐全大屏乙側1－2屏之間的夾持管爆，沖刷全大屏第2屏第1根管，吹薄全大屏第2屏第2、4根管，經分析此次夾持管爆漏是由于管子運行中外壁與管卡之間發生摩擦磨損減薄，在內部高溫高壓的蒸汽作用下引起開裂爆漏。

2010年10月19日，某發電廠鍋爐高過乙側第39屏外數第三圈泄漏，割管分析后發現外層氧化皮最厚厚度為0.9 mm，內層氧化皮最厚厚度為2.1 mm，失效原因為高溫氧化造成管壁承壓強度降低。

根據韌性斷裂發生的條件，從塑性強度及內壓應力2個方向考慮。首先，對于塑性強度來說，過熱器管的材料為耐熱鋼，有很好的抗高溫性能;但當爐管外壁因吸附煤灰過多而產生結焦使局部換熱加強或爐管內因脫落的氧化皮而造成堵塞時，都會造成管壁溫度急劇升高。當溫度超過材料的極限時，就會造成材料的塑性強度下降，進而發生韌性斷裂。其次，對于內壓應力來說，設計時管壁厚度余量足夠大，因超載而發生失效的案例很少。但當管外壁受到煙灰的飛灰磨損、吹灰器的吹灰磨損、臨近管排的機械磨損、高溫煙氣造成的硫酸鹽腐蝕及管內壁與高溫蒸汽發生的氧化腐蝕后，會造成管壁的逐漸減薄，如果不采取一定措施，終究會造成過熱器管的韌性斷裂。由此，根據相關資料和研究［3－4］建立的韌性斷裂失效樹如圖2所示。

2.2 蠕變斷裂

過熱器管高溫下長期受載，會產生非常緩慢的蠕變變形，同時在材料內部會出現空洞，衍生成裂紋，從而出現蠕變斷裂。通常用外推出的材料持久強度或蠕變極限作為計算過熱器管壽命的依據。當管壁因各損傷因素造成長期超溫后，過熱器管的壽命就會縮短。蠕變斷裂的失效樹如圖3所示。

圖2 過熱器韌性斷裂失效樹Fig.2 Fault tree of superheater tube ductile rupture

圖3 過熱器管蠕變斷裂失效樹Fig.3 Fault tree of superheater tube creep rupture

2009年8月12日，某熱電廠鍋爐甲側全大屏過熱器中間向爐前數第6根彎頭爆管，沖薄第7、8根彎頭。經過檢查為管子長期處于超溫狀態運行，致使管壁長期過熱，加速了管壁組織老化并使其產生大量蠕變孔洞計蠕變裂紋，致使管壁的抗拉強度低于標準要求，管壁組織中蠕變裂紋不斷延伸擴展，當不能承受運行壓力時即發生爆破。

引起過熱器管蠕變斷裂的原因仍然考慮應力和強度2個方面，應力的損傷因素與韌性斷裂的相同。而持久強度的降低，是管壁長期超溫運行的后果。這種超溫幅度遠小于圖2中的短時超溫，兩者斷裂的宏觀特征［6-7］也有很大區別。管外壁堆積煤灰、結焦、產生氧化皮不僅降低效率，而且造成煙道的堵塞使局部煙氣對流換熱加強。管內高溫氧腐蝕形成吸附在管壁上的氧化皮，阻礙爐管與蒸汽的換熱過程。爐內燃燒波動大，風煤比調整不及時。以上因素都會造成管壁溫度上升，降低材料的持久強度，加快過熱器管的蠕變速率。

2.3 脆性斷裂及腐蝕斷裂

高溫長期運行會引起過熱器管鋼材的脆化，金相組織發生變化，降低了管材的塑性和韌性，長期以往就會發生變形很小的脆性斷裂。針對不同的鋼材，脆化的形式也有所不同。碳鋼的脆化形式為石墨化，珠光體鋼的脆化形式為珠光體球化，奧氏體鋼的脆化形式為碳化物和σ相大量析出。這種材料脆化問題與所受載荷無關，只與溫度和時間有關，管壁的長期超溫就會加劇這種脆性損傷。由于這種損傷并不具有宏觀特征，必須借助金相檢查才能確定損傷的程度。脆性斷裂的失效樹如圖4所示。

圖4 過熱器管脆性斷裂失效樹Fig.4 Fault tree of superheater tube brittle fracture

過熱器管由于輸送的介質為過熱蒸汽，除了高溫氧化外，并不會發生強烈的化學腐蝕。但當給水處理失誤或運行中造成某種腐蝕性離子濃度增大，就容易引起腐蝕開裂。當對過熱器管進行酸洗時，易造成大量H+進入金屬，若管材為鐵素體類鋼，就會引起氫損傷，嚴重時會發生氫脆。當鍋爐的高溫高壓給水由于水化學處理不良或局部過熱濃縮水中，使Cl－濃度過高，由于奧氏體鋼對Cl－的敏感性，就為發生應力腐蝕斷裂創造了腐蝕環境。腐蝕斷裂的失效樹如圖5所示。

圖5 過熱器管腐蝕斷裂失效樹Fig.5 Fault tree of superheater tube corrosion fracture

除此之外，如焊接缺陷［8］、材質夾雜、熱處理缺陷、機組啟停頻繁等因素也會加速過熱器管的損傷，最終導致過熱器管的爆漏;因此，在實際生產和檢修中，利用現有的生產經驗和檢測手段，盡量消除或減緩上述因素對過熱器管的損傷。

3 過熱器管失效控制措施研究

過熱器管斷裂失效的整體失效樹共有50個底事件，21個基本事件。每個基本事件都是引起過熱器管斷裂失效的直接損傷因素。根據基本事件作為底事件出現頻率越高其結構重要度越大的準則［9］，對過熱器管失效樹基本事件的按結構重要度進行排序后得到:首先，中間事件為材料缺陷的2個基本事件的結構重要度最大;其次為中間事件為管壁長期超溫的3個基本事件、中間事件為設計不當的3個基本事件、中間事件為高溫腐蝕減薄的2個基本事件及使用維護不當，共9個基本事件;最后，其余10個基本事件的結構重要度最小。因此，對結構重要度高的基本事件應采取相應的措施。

1)根據目前國家制訂的質量標準、規程及各發電企業所制訂的管理和檢修細則，嚴把材料質量關，特別要注意隨超臨界機組發展而出現的新型不銹鋼;要十分重視管件的焊接質量，嚴格遵守行業標準。

2)運行期間嚴禁管壁超溫，及時對管外壁進行吹灰，保證風煤比及爐膛過量空氣系數符合設計要求;對管內壁高溫氧化腐蝕要逢停必檢，高溫氧化已成為超臨界機組過熱器管超溫的重要原因。

3)煤種應符合設計標準，燃燒器要與磨煤機協調配合，避免煙溫過高引起硫酸鹽腐蝕;給水處理要予以嚴密監控，做好停爐保護的各項措施。

4)過熱器管結構的設計過程中要考慮煙溫偏差、管子吸熱偏差、蒸汽流量偏差的影響，還應配備有蒸汽旁路、對空排汽或限制煙溫措施。

5)日常維護時應避免對管壁造成碰傷及管子相互間的磨損，對危險區域應進行100%無損檢測。管子防磨護板、固定裝置等附屬設施應可靠耐用。

4 結論

1)斷裂失效是過熱器管最主要的失效形式，而斷裂失效有4種不同的失效模式引起，即韌性斷裂、蠕變斷裂、脆性斷裂及腐蝕斷裂。韌性斷裂的主要失效原因為管壁超溫及壁厚減薄;蠕變斷裂及脆性斷裂的主要失效原因為管子長期超溫運行;腐蝕斷裂的主要失效原因為水質處理不良、管壁超溫運行及停爐保護不當。此外，人為造成的設計失誤、材料缺陷及使用維護不當等因素也在引起過熱器管失效的4種模式中。

2)為避免過熱器管出現斷裂失效，要從設計、制造、安裝、運行、檢修、檢驗、監控各環節把好質量關。設計過程中要考慮熱偏差因素，制造安裝過程中要保證材質及焊接質量，運行過程中避免出現超溫情況，檢修過程中要采取正確的停爐保護措施，在高風險區域要加強無損檢測和在線監控的力度。

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