過熱器爆管原因探討

高如云

摘 要：火力發電廠鍋爐運行的可靠性是影響發電廠運行可靠性的首要因素，尤其是鍋爐受熱面管子的損壞泄漏對機組的安全運行影響最大，是火力發電廠的常見事故，一般占機組故障的60%～70%，因此，受熱面管爆漏是影響機組安全發電的首要因素。鍋爐受熱面管由于設計、制造、安裝、運行、檢修、管理方面的問題以及長期在高溫、高壓、腐蝕、沖蝕惡劣條件下運行存在的老化等原因，爆漏損壞造成的停爐次數高于其它設備。只有掌握各種類型受熱面管爆管的表面特征、組織特性、材質劣化的現象、內外壁結垢、腐蝕、疲勞的特點，才能有的放矢的進行監督檢驗工作，尋找有效的管理和技術防治對策，提高機組運行的可靠性，保障電網的穩定經濟運行。

關鍵詞：爆口 變形 超溫 金相 硬度 脹粗

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0062-03

某廠#3機組鍋爐2004年12月1日投產運行。#3機組鍋爐型號為1650-17.46-540/540，由斯洛克吐耳瑪齊鍋爐廠生產，爐水循環系統采用瑞士蘇爾壽爾設計的爐型，蒸發段設有強制循環泵和小型汽水分離器。蒸發段采用垂直管（Ф32×5）帶有循環泵的低倍率（K=1.25-1.4）強制循環系統。

四級過熱器采用順流布置，分爐前、爐后對承兩組；每組從爐左至爐右31+31排，每排22根形成1個U型行程；從中間分為上、下（出、入口）兩部分，入口接管座規格Ф31.8×5.6，材質為10CrMo910；受熱部分規格Ф31.8×5.6，材質為X10CrMoVNb91，出口接管及彎頭規格Ф31.8×6.3，材質X10CrMoVNb91。

2009年底，四級過熱器發生爆管現象，停機檢查發現四級過熱器右數14排，上數第11根管和第12根管發生爆破。爆破后14排管子情況如圖1所示。

現場從右數14排切取了三根管，其中兩根管發生爆破，分別對應圖1中的兩根爆破后斷裂管，分別是右數14排的上數第11根管和第12根管，分析中編號為1號和2號（圖中彎曲向下的管子）樣，另外取一根沒有發生破裂的管（右數14排上數第9根管）與兩根爆破管進行對比，分析中編號為3號樣。

1 宏觀分析

1.1 爆口處宏觀特征分析

管段爆裂處位于過熱器右數14排，上數第11根、第12根管，其中位于第11根管的1號爆口發生在直管段，爆口變形較大，由于只獲得一側的斷口無法測量爆口的開口長度，如圖2所示；而第12根管處的2號爆口發生在彎頭處，爆口變形較小，同樣因為只獲得一側的斷口無法測量爆口的開口長度，爆口裂紋沿軸向擴展，如圖3所示，局部放大如圖4所示。斷裂面較平整，表面有較厚的氧化物。

3號樣品主要用來進行對比分析，宏觀形貌如圖5所示，3號樣品整根管變形較小。

1.2 管樣宏觀檢查

1號爆口處變形較大，說明斷裂時金屬管子發生了較大的塑性變形，斷口附近的管子出現了一個明顯的彎折，此彎折是在爆破時形成的，如圖2所示。在斷口附近切取環型試樣，測量爆口處及其附近管子尺寸發現管子發生了明顯脹粗。如圖6所示，圖6中下半圈的壁厚較上半圈的壁厚要小得多，具體測量數據見表1。

2號爆口折斷口的變形較小，如圖4所示。在斷口附近切取環型試樣，測量爆口處及其附近管子尺寸發現管子發生了明顯脹粗。一側管子表面出現比較光滑的形貌，光滑表面處壁厚明顯減小，如圖7所示，圖7中左半圈的壁厚較右半圈的壁厚要小得多，具體測量數據見表1。

圖8是3號樣剖面圖，從圖中可以看出，管子的截面尺寸符合設計要求，在這個位置上既沒有漲粗壁厚也沒有減小。

將管縱向剖開后對管內壁做宏觀檢查，沒有發現明顯的缺陷。

2 試驗分析

將1～3號管段，分別用于金相分析、硬度分析。

2.1 金相分析

分別取3個管樣的環型試樣進行金相組織觀察，樣品經磨光和拋光后，經10%硝酸酒精侵蝕后觀察，組織觀察在OLYMPUS BX51M光學顯微鏡下進行。

圖9是1號樣的金相組織形貌，圖10是2號樣的觀察結果，通過金相組織觀察發現：1、2號樣品組織是淬火馬氏體，而3號樣組織是回火馬氏體。

從內外壁氧化膜的觀察可以發現，內壁的氧化膜連續，而外壁的氧化膜不連續，多處發生脫落，可能是沖刷導致的，圖11是內壁的氧化膜形態。

2.2 硬度分析

對上述幾個金相試樣進行硬度測試，加載重量為500克，在HXZ-1000硬度計上完成。將測量結果與《黑色金屬硬度及強度換算值》（GB-T 1172-1999）相對照，得出其相應的常溫強度值，其結果見表2。

3 結果討論

從硬度和金相組織分析可以看出，過熱器管在高溫下工作時，1號和2號樣品出現了相變，硬度明顯升高，而且也發現了輕微的碳化物析出現象，因此，過熱器破壞模式為過熱爆破。

從1號和2號樣斷口附近管子的剖面尺寸測量結果可以看出，管子有比較均勻的漲粗，漲粗量達到13.4%，管子內表面發現明顯的缺陷，但是在外表面可以清楚地看到沖刷的痕跡，沖刷后可以看到管子的外壁非常的光亮，測量尺寸發現壁厚發生了嚴重的減薄，最大減薄量可達32.1%。從外表面和剖面觀察可以確認壁厚的減薄不是由于本次爆口發生后沖刷造成的。另外從3號樣的外觀觀察也可以發現局部區域減薄，幾乎整個截面都發生了減薄，用測厚儀檢查發現，剩余壁厚只有3.9 mm，這也證明了沖刷是在爆口發生前出現的。至于管子表面沖刷減薄，出現光亮區的具體原因，有待進一步調查。

根據管子承受內壓的受力分析可以知道，其周向力，其中P為內壓，D為管子的外徑，t為管子的壁厚，根據上面的分析，管子在長期使用過程中有輕微的漲粗，因此，外徑尺寸比新管材尺寸增大了約13.4%，而壁厚減薄約32.1%，因此，在內壓不變的情況下，應力水平增加到原來的1.66倍，從而引起爆破。

4 結論

通過以上論證，可以得到以下結論：

（1）四級過熱器管爆口的失效模式是過熱爆破；

（2）兩爆口處硬度測試和金相組織狀態表明，兩爆口處曾發生相變，冷卻后轉變為馬氏體，說明管壁局部區域過熱溫度達到相變溫度（約820 ℃）以上。

參考文獻

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