SZS型燃氣鍋爐過熱器管變形原因分析

劉課秀，盧忠銘，王戀

（廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東廣州510663）

SZS型燃氣鍋爐過熱器管變形原因分析

劉課秀，盧忠銘，王戀

（廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東廣州510663）

某單位SZS15-1.8/250-YQ型號燃氣蒸汽鍋爐在內部檢驗時發現鍋爐右數第一至六組過熱器管變形，最大變形量約160 mm.經分析，該鍋爐存在啟停爐頻繁、過熱器管在快速啟動過程中出現過熱現象，鍋爐熱負荷波動大，過熱器管局部受熱不均、未受管夾的有效固定，導致過熱器管出現材料過熱并在熱應力的作用下發生變形。
關鍵詞：SZS型鍋爐；過熱器管；變形；原因分析
中圖分類號：X933.2文獻標志碼：A文章編號：1672-545X（2017）05-0224-04

過熱器是鍋爐中將一定壓力下的飽和水蒸氣加熱成相應壓力下的過熱水蒸汽的受熱面[1]。過熱器管壁金屬在鍋爐受壓部件中承受的溫度最高，同時由于其結構的特殊性，在使用過程容易發生金屬壁溫過熱和變形。針對某燃氣蒸汽鍋爐過熱器爐管變形彎曲量過大問題進行原因分析，并提出預防控制措施，為此類鍋爐的安全運行和今后的維護積累經驗[2]。

1 基本情況

現場勘查發現，某雙鍋筒縱向布置水管燃氣鍋爐，位于鍋爐爐膛后端的立式過熱器管出現了嚴重變形，其中鍋爐右數第一至六組過熱器管（近火焰側）出現嚴重變形，最大變形量約160 mm，見圖1.部分過熱器管夾碳化斷裂，見圖2.鍋爐爐膛結構如圖3所示。過熱器管材料標準為GB 5310-2008高壓鍋爐用無縫鋼管，牌號為12Cr1MoVG，使用溫度可達580℃，此類鋼管具有較高的耐高溫持久強度。

圖1 失效鍋爐及變形過熱器管

圖2 燒毀管夾

圖3 鍋爐爐膛結構示意圖（集箱位于上鍋筒上方）

2 檢驗分析結果

（1）力學性能試驗

截取靠近火焰側過熱器管和煙氣尾段過熱器管各一段進行整管室溫拉伸試驗，試驗結果見表1.結果顯示過熱器管的抗拉強度均低于標準要求值，過熱器管力學性能出現明顯劣化[3]。

表1 過熱器管室溫拉伸試驗結果

（2）金相分析

對靠近火焰側過熱器管和爐膛煙氣尾段過熱器管分別進行金相分析，靠近火焰側過熱器管的金相組織為珠光體+鐵素體，珠光體球化程度為3級，見圖4.爐膛煙氣尾段過熱器管的金相組織為珠光體+鐵素體珠光體球化程度為1.5級，見圖5.過熱器管存在珠光體組織過熱球化問題。

圖4 近火焰側過熱器管顯微組織

圖5 近火焰側過熱器管顯微組織

對圖2b）管夾的斷裂處取樣進行金相分析，結果顯示，管夾嚴重碳化，其主要組織為金屬碳化物和石墨組織，少量殘余奧氏體，見圖6.

圖6 管夾斷裂部位顯微組織

（3）材質分析

抽取靠近火焰側過熱器管和煙氣尾段過熱器管（12Cr1MoVG/GB 5310）和管夾進行化學成分分析，結果顯示過熱器管材質正常，管夾材料為耐熱不銹鋼，結果見表2.

表2 材質分析結果（wt.%）

（4）鍋爐運行工況分析

由于委托單位鍋爐運行記錄電腦系統設置為舊記錄自動覆蓋，已無法查閱2016年以前運行參數情況。查閱委托單位同品牌型號、運行工況類似的1#鍋爐2016年的運行參數記錄。經查詢可見，鍋爐運行負荷波動較大，從安裝在爐膛后端的溫度運行記錄顯示，該處溫度（過熱器近火焰側）長期處于500～820℃之間運行，見圖7.

圖7 鍋爐運行參數圖

根據委托單位統計，1#爐2016年啟停爐次數為83次，鍋爐啟停比較頻繁。查閱1#爐運行參數記錄可見，鍋爐啟動時間長短不一，從鍋爐啟動到LPG流量達到約400 m3/h、爐膛后端溫度達到700～800℃左右所用的時間約為0.5 h～2 h.在鍋爐的啟動過程，如果啟動速度過快，在過熱器管內部沒有蒸汽或蒸汽流量過低的情況，過熱器管可能超出其允許溫度并發生過熱及變形。

鍋爐爐膛的溫度傳感器安裝在爐膛后端人孔位置上方并緊靠右墻水冷壁，溫度傳感器探頭的伸出長度較小，見圖8.由于處在火焰尾部位置過熱器可能更靠近火焰溫度最高點，所在環境溫度高于爐膛運行記錄溫度。鍋爐高負荷運行時，過熱器管超出其允許溫度并發生過熱及產生熱應力。

圖8 溫度傳感器安裝情況

3 原因分析

（1）從金相分析可知，過熱器管存在珠光體組織球化現象，過熱器管所受溫度已超出其允許壁溫范圍。鍋爐過熱器使用的是12Cr1MoVG/GB 5310和20/GB 3087鋼管。按TSG G0001-2012《鍋爐安全技術監察規程》規定，12Cr1MoVG/GB 5310鋼管允許金屬壁溫不超過580℃，20/GB 3087鋼管允許金屬壁溫不超過460℃.從12Cr1MoVG鋼管球化現象可見，過熱器管存在超過580℃運行狀況，該溫度可導致12Cr1MoVG/GB 5310和20/GB 3087鋼管出現過熱及變形。不銹鋼管夾高溫碳化情況嚴重，也證明過熱器所在位置存在溫度較高現象[4]。

（2）鍋爐啟停比較頻繁。在鍋爐啟動期間，如果鍋爐啟動速度過快，在過熱器管內部沒有蒸汽或蒸汽流量過低的情況下，過熱器管內溫度無法及時通過介質傳導，管壁金屬超出其允許溫度并發生組織過熱球化及變形，從鍋爐運行記錄可見，存在鍋爐啟動短時間（0.5 h）內，爐膛尾段環境溫度達460℃以上的狀況。

鍋爐點火到尚未產生蒸汽以前，過熱器處于無蒸汽冷卻狀態，此時鍋爐燃燒產生的煙氣卻在對其加熱，所以過熱器壁溫很快就會升高接近流過的煙氣溫度，如果火焰偏斜或溫度場不均勻，過熱器的蛇形管會因為壁溫差異，引起金屬膨脹不同步而產生彎曲變形。

同時在鍋爐點火后，鍋爐受熱升溫并逐漸產生蒸汽，但在升壓過程初期，由于燃料燃燒放熱量有限，而且有很大一部分要消耗于加熱水和金屬管壁，用于爐水蒸發的熱量就不多，因此產汽量很少，容易造成過熱器受熱面蛇形管中的流量不均勻，加之溫度場的不均勻，同樣會造成過熱器蛇形管由于受熱不均勻而產生彎曲變形[5]。

（3）爐膛的過熱器管前布置一道隔墻，過熱器管局部仍可受到火焰輻射加熱，其它部分為受煙氣對流加熱，過熱器管不同部位的溫度場不均勻，可導致過熱器管受熱不均，產生熱應力而彎曲變形。

（4）由鍋爐運行工況參數可見，鍋爐運行過程蒸汽負荷波動大，鍋爐過熱器附近溫度傳感器的監測溫度經常在500～820℃之間波動。過熱器管的不同部位受熱不均勻，膨脹量不一致，不同部位存在熱應力，引起管子變形。

（5）過熱器管管夾發生高溫碳化斷裂、損毀嚴重，未及時維護并更換管夾，在過熱器管建立熱平衡過程未受有效約束而容易變形。

綜上分析可知，該鍋爐啟停爐頻繁、過熱器管在快速啟動過程中出現過熱現象，鍋爐熱負荷波動大，過熱器管局部受熱不均、未受管夾的有效固定，導致過熱器管出現材料過熱并在熱應力的作用下發生變形。

4 維護建議

（1）按TSG G7002-2015《鍋爐定期檢驗規則》第2.6.3.2款和2.6.3.3款要求，過熱器管的變形已超過規定范圍（超過管子公稱直徑），材料出現過燒及力學性能劣化，應當進行更換[6]。

（2）針對該型號鍋爐特點制定科學的鍋爐操作規程，并嚴格按照操作規程操作，確保鍋爐起停爐速度合理，可考慮采取鍋爐爐膛溫度和LPG流量聯動控制方式，避免過熱器管在超出其允許壁溫情況下干燒或在蒸汽量很少的情況下大火運行。

（3）鍋爐運行負荷變化劇烈，可通過增加緩沖罐等方式，減輕鍋爐由于用汽量急劇變化而造成鍋爐爐膛溫度急劇變化，導致鍋爐超高負荷運行或燃燒火力大小劇烈波動。

（4）合理調整鍋爐結構，增加前置受熱面管，有效降低過熱器輻射熱，盡量使過熱器管所在位置溫度場均勻、不同部位受熱溫度和形式一致。

（5）定期做好鍋爐使用維護，及時更換損毀管夾，保證過熱器管得到有效固定。

[1]張文勝，管海英，宋坤．ZS20-1.6/350-Y（Q）鍋爐過熱器和減溫器的設計[J]．工業鍋爐，2002（1）：21-23.

[2]崔占倉，陳志方，鄧旭．全自動水管燃氣蒸汽鍋爐過熱器爐管變形原因分析[J]．化工管理，2014（2）：95-95.

[3]GB 5310-2008.高壓鍋爐用無縫鋼管[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4]TSG G0001-2012.鍋爐安全技術監察規程[S].北京：中國標準出版社，2012.

[5]林壯敦．電廠啟動鍋爐過熱器過熱變形的原因分析和預防措施[J]．中國科技信息，2012（16）：104-105.

[6]TSG G7002-2015鍋爐定期檢驗規則[S].北京：中國標準出版社，2015.

Cause Analysis of Deformation of Superheater Tubes of SZS Gas-fired Boiler

LIU Ke-xiu，LU Zhong-ming，WANG Lian
（Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou 510663，China）

The first to the sixth group Superheater Tube of a SZS15-1.8/250-YQ gas-fired boiler were found deformation，and the maximum deformation is about 160 mm.After analysis，the boiler has a frequent shutdown furnace，the superheater tubes were overheated during rapid start-up，boiler heat load fluctuates greatly，superheater tube local heating uneven and did not get the effective clamping of the clamp，resulting in overheating of the superheater tube and deformation under thermal stress.

SZS boiler；superheater tube；deformation；cause analysis

2017-02-09

劉課秀（1984－），男，廣東梅州人，工程師，工程碩士，主要研究方向為金屬材料和失效分析。