電站鍋爐高溫過熱器爆管失效分析及對策

張健，陳國宏，方振邦，王若民，張海，郭曉妮

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電站鍋爐高溫過熱器爆管失效分析及對策

張健1，陳國宏1，方振邦1，王若民1，張海1，郭曉妮2

（1.國網安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601；2.寧德新能源科技有限公司，福建 寧德 352000）

高溫過熱器管為電站鍋爐重大高溫承壓部件，如發生泄漏或爆管將直接影響到整個機組的安全可靠運行，同時也會給電廠企業造成較大的經濟損失。通過電廠高溫過熱器爆管的宏觀檢驗以及微觀組織和力學分析，從而確定是由于氧化皮堆積導致的長期超溫爆管，并且提出了相應的措施，為確保機組的安全可靠運行提供理論依據。

電站鍋爐；過熱器；氧化皮堆積；微觀組織

高溫過熱器管作為電站鍋爐四大管道之一，其作用是將飽和蒸汽定壓加熱到過熱蒸汽。過熱器是鍋爐最復雜的受熱面[1-3]，受熱面管壁溫度高，管內蒸汽溫度高，高溫煙氣除了受熱面進行對流換熱外，還對受熱面進行輻射換熱。當受熱面受到煙氣腐蝕、高溫腐蝕或者鍋爐結構不當導致受熱面管內壁通流流量減小時，往往會使部分管壁超過許用溫度，熱穩定性下降，甚至造成受熱面管壁過熱、爆管等[4-7]。過熱器對鍋爐的安全性和經濟性有著重要意義[8-10]，它的運行工況不僅決定著主蒸汽品質的高低，而且關系著鍋爐的安全運行。

某電站鍋爐的額定蒸發量為220 t/h，額定蒸汽壓力為10.3 MPa，額定蒸汽溫度為540 ℃，于1987年制造，1988-12投產，鍋爐運行期間曾出現爐膛大面積結焦現象，截至目前高溫過熱器爆管前鍋爐累計運行143 195.95 h。該電站高溫過熱器蛇形管共74屏（三管圈），其中冷端布置在高溫過熱器兩側各19屏，熱段布置在中間共36屏。該高溫過熱器管規格為Φ42×5 mm，材質為12Cr1MoVG。

本文通過對該電站高溫過熱器爆管的宏觀檢驗以及微觀組織和力學分析，確定其爆管原因并且提出了相應的措施，為確保機組的安全可靠運行提供理論依據。

1 試驗材料與方法

用游標卡尺檢驗該爆管的脹粗，制備爆口處、爆口附近、遠離爆口處的金相試樣，然后磨制拋光，采用質量分數為3%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，分別置于蔡司倒置式金相顯微鏡下觀察，儀器型號為Axio Observer；使用THB-3000MDX型自動布氏硬度計，對金相試樣進行硬度測試，測試位置在金相試樣的金相面上。試驗條件：負荷187.5 kgf、鋼球直徑2.5 mm、負荷保持時間15 s，試樣測量3次，結果取平均值；在遠離爆口處制備拉伸試樣進行力學性能試驗，儀器為CMT5105電子萬能試驗機。

2 試驗結果及討論

2.1 宏觀檢驗

根據圖1可以看出，21-2管為第一爆口，附近區域21-1管、22-1管、22-2管、22-3管為21-2爆管泄漏蒸汽沖刷引起局部沖損減薄泄漏。因此，取21-2管進行失效分析。爆口位于“U”形管的彎頭向火側處，爆口粗糙不平整，開口較小，呈脆性爆管特征，外壁存在軸向裂縫，呈蠕變形貌，爆口附近壁厚實測4.6 mm，減薄相對較小，脹粗率為4.9%，且爆口周圍存在較為嚴重的氧化皮，外壁有氧化皮脫落現象。送樣管爆管爆口較小，管壁減薄相對較小，管徑有脹粗現象，爆口周圍存在較為嚴重的氧化皮，呈現明顯的長期過熱特征。

圖1 高溫過熱器管圖

2.2 金相試驗

根據圖2可以看出，爆口內壁有約300 mm的氧化皮，外壁的氧化皮有明顯的脫落現象，該部位組織珠光體形態消失，晶界有明顯的碳化物聚集特征，球化5級。

圖2 高溫過熱器管爆口處顯微組織

圖3 高溫過熱器管爆口附近處顯微組織

圖4 高溫過熱器管彎頭處顯微組織

根據圖3可以看出，爆口附近內壁處也存在大量的氧化皮，且氧化皮形態呈現兩層狀態，內層為致密的氧化皮，外層為疏松的氧化皮，外壁存在氧化皮脫落現象，另外可以看出在氧化層內層有腐蝕裂紋，沿著晶界向管內部擴展。

根據圖4可以看出，彎頭處金相組織珠光體形態消失，晶界有明顯的碳化物聚集，內壁氧化層厚度約460 μm，呈現兩層形態。

圖5 遠離爆口處顯微組織

根據圖5可以看出，金相組織為鐵素體+珠光體，聚集態的珠光體區域已經開始分散，但是仍保持原有的區域形態，晶界處有少量碳化物聚集，球化2.5級。內外壁均存在大量的氧化皮。長期過熱爆管是蠕變損傷的一種形式，可分為以應力為主的蠕變失效和以溫度為主的蠕變失效。以應力為主的蠕變失效也稱為楔形裂紋蠕變斷裂（“W”形蠕變斷裂）。高溫下，晶界是黏滯性，在較大外力作用下，晶界將產生滑移，在晶粒的交界處產生應力集中。如果晶粒的形變不能使應力集中得到松弛，且應力集中達到晶粒開裂的程度，則在晶粒的交界處產生楔形裂紋。以溫度為主的蠕變失效也稱為孔洞型蠕變裂紋（“R”形蠕變裂紋）。在形變速率小、溫度較高的低應力蠕變中，首先在晶界上形成孔洞，然后孔洞在應力作用下繼續增多、長大、聚集，連接成微裂紋，微裂紋連通形成宏觀裂紋，直至斷裂。

送樣管爆口組織以及爆口附近組織存在蠕變孔洞現象，初步判斷為楔形裂紋蠕變斷裂（“W”形蠕變斷裂）導致的爆管。彎頭處金相組織可以看出有大量的氧化皮，厚度約460 μm。該部位氧化皮厚度較厚，外層呈現疏松形態，可能在爆管的時候，部分疏松的氧化皮被吹去，內層為致密形態。當氧化皮厚度較厚時，管內的蒸汽與外部的熱能量交換較少，蒸汽不能將熱能量帶走，嚴重影響熱交換面積，導致管外壁的金屬壁溫升高，使管長期處于高溫服役狀態。

高溫蒸汽管內的鐵會與水蒸氣發生反應，生成氧化鐵系列如Fe4O3、Fe2O3、FeO，并放出氫氣，最初生成的氧化層主要由Fe4O3構成，這層氧化皮比較致密，隨著時間的推移和長期受高溫介質影響，內壁氧化層的主要成分為Fe4O3和Fe2O3，都比較致密，且晶格缺陷較多。另外鋼表面在蒸汽中生成氧化膜是個自然過程，在開始時膜形成很快，一旦膜形成后，進一步的氧化便慢下來，與時間呈拋物線關系。而金屬在長期高溫高壓環境作用中運行并受到頻繁交變影響，氧化和時間變成了直線關系，氧化皮生成速度就會加快并越積越厚。爆口附近外壁金相組織可以看到有大量的縱向裂紋，從外向內擴展沿著晶界擴展，裂紋內部充滿大量的氧化皮，因此外壁存在腐蝕現象，而且是長期腐蝕導致。

2.3 硬度檢驗

依據《金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法》（GB/T 231.1—2009），使用THB-3000MDX型自動布氏硬度計，對試驗試樣進行硬度測試，測試位置是在金相試樣的金相面上進行的。試驗條件：負荷187.5 kgf、鋼球直徑2.5 mm、負荷保持時間15 s，試樣測量3次，結果取平均值，試驗結果如表1所示。

表1 布氏硬度試驗結果（HB）

位置硬度值/HBW 爆口處115 爆口附近處113 遠離爆口處150 彎頭處140 DL/T 438—2016135～195

從表1中可以看出，爆口以及爆口附近的硬度值低于標準范圍的下限值。

2.4 機械性能檢驗

拉伸力學性能測試主檢設備：深圳三思縱橫科技股份有限公司，CMT5105電子萬能試驗機。在所送樣品按標準規定加工機械性能試樣，經拉伸試驗、樣品試驗2次，測得拉伸性能數據如表2所示。從表2中可以看出，該管抗拉強度、屈服強度和延伸率下降，接近標準范圍的下限值，表現出明顯的力學性能惡化趨勢。

表2 試樣的拉伸試驗結果

抗拉強度/MPa下屈服強度/MPa伸長率/（%） 121212 試樣4924913413312222 GB/T 5310—2017470～640≥255≥21

3 結論

通過分析得出結論：①根據以上微觀組織以及力學性能試驗分析可以判斷該爆管為長期過熱導致。②爆口位于彎頭附近，爆口內外壁存在大量的氧化皮，且爆口附近存在很多縱向裂紋，較厚的氧化皮堆積導致通流換熱流量較少，爐膛的輻射熱量不能及時由管內的介質帶走，而管內長期形成的氧化皮又會直接影響熱傳導與熱交換，從而使氧化皮附著部位金屬發生局部超溫，導致金屬性能發生惡化。③管外壁有大量的腐蝕裂紋，懷疑是煙氣腐蝕導致，當采用的燃燒煤含有較多的S或者Cl元素時，往往會在管壁薄弱的部位先發生小孔腐蝕，進一步擴展，隨后腐蝕進一步加速，逐步向管壁內側加劇，加劇了爆管的發生。

4 預防措施

具體預防措施為：①為了預防過熱器管超溫，在運行中，應嚴格按運行規程規定操作，鍋爐啟停時應嚴格按照啟停曲線進行，控制擴散參數和過熱器管壁溫在允許范圍內，嚴密監視鍋爐參數、蒸發量和水位等主要指標。②做好鍋爐燃燒調整，防止火熱偏差，加強吹灰和吹灰器管理，防止受熱面嚴重結焦，保證鍋爐給水品質正常及運行中汽水品質合格等。③定期進行化學清洗，去除異物、沉積物等，對應力氧化皮裂紋管子壽命已接近設計壽命的，可將損壞的管子予以更換。

［1］李玉生，郭和平，王瑩，等.1Cr17Ni2不銹鋼軸擴口破裂原因分析［J］.失效分析與預防，2018（4）：247-250.

［2］左敦桂，賴云亭，劉獻良，等.高溫過熱器T91鋼管爆管原因分析［J］.熱加工工藝，2018（8）.

［3］鐘萬里，盤榮旋.超臨界鍋爐高溫過熱器T91鋼管爆管分析［J］.理化檢驗（物理分冊），2009，45（7）：440-442.

［4］張李鋒，張兵，王小迎.超臨界鍋爐高溫過熱器T91鋼管爆管分析［J］.材料導報，2014（s1）：435-437.

［5］蒙新明，張路，賴云亭，等.某超臨界機組鍋爐過熱器管爆管原因分析［J］.理化檢驗（物理分冊），2015，51（5）：353-357.

［6］趙慧傳，賈建民，陳吉剛，等.超臨界鍋爐末級過熱器爆管原因的分析［J］.動力工程學報，2011，31（1）：69-74.

［7］黃鑫，丁克勤，趙軍.電站鍋爐過熱器管失效規律研究［J］.失效分析與預防，2012（4）：217-220.

［8］車暢，竇文宇，陳新中.超臨界電站鍋爐高溫過熱器爆管失效分析［J］.金屬熱處理，2015，40（12）：189-193.

［9］趙永寧，劉爽.102鋼高溫過熱器管內壁氧化皮脫落研究［J］.熱加工工藝，2010，39（22）：203-206.

［10］張山山，陳光，曾慶猛.T91鋼高溫過熱器內壁氧化皮的失效分析［J］.腐蝕科學與防護技術，2016，28（3）：259-262.

2095－6835（2018）21－0016－03

TK223

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.016

張健（1991—），男，安徽合肥人，碩士，主要研究方向為電廠金屬材料失效分析。

〔編輯：嚴麗琴〕