电厂超临界锅炉末级过热器爆管原因分析及对策.pdf

131工 艺 与 装 备电厂超临界锅炉末级过热器爆管原因分析及对策张 奎1 曾 祥2 李亚芬3（1.南昌科晨电力试验研究有限公司，南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，南昌 330096；3.国网江西省电力有限公司超高压分公司，南昌 330029）摘 要：为了使电厂超临界锅炉能够安全稳定运行，结合实际案例从末级过热器爆管的位置、形貌及负荷变化等方面分析内壁氧化皮的产生和剥落，确定案例中爆管的基本原因是氧化皮大量剥落堵塞管道，造成管壁冷却不良而出现超温。氧化皮在锅炉启炉过程中多次负荷升降的影响下出现剥落、堆积造成管道堵塞，进而引发爆管。关键词：超临界锅炉；末级过热器管；爆管原因；氧化皮Analysis and Countermeasure for the Burst of Final-stage Superheater Tube in a Power Plant Supercritical BoilerZHANG Kui1,ZENG Xiang2,LI Yafen3(1.Nanchang Kechen Electric Power Experimental and Research Co.,Ltd.,Nanchang 330096;2.Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co.,Ltd.,Nanchang 330096;3.Ultra high Voltage Branch of State Grid Jiangxi Electric Power Co.,Ltd.,Nanchang 330029)Abstract:In order to ensure the safe and stable operation of the supercritical boiler in the power plant,the formation and spalling of the inner wall oxide were analyzed from the position,morphology and load changes of the final superheater in combination with the actual case.It was determined that the basic reason for the pipe explosion was that a large amount of oxide spalling blocked the pipe,resulting in poor cooling of the pipe wall and overtemperature.Under the influence of multiple load ups and downs in boiler start-up process,the oxide peel is spalling and piling up,resulting in pipe blockage and tube explosionKeywords:supercritical boiler;final superheater tube;cause of tube explosion;scale oxide火力发电厂机组中，约有 70%的事故来自锅炉侧，而且大部分原因在于过热器、水冷壁、再热器以及省煤器这 4 类管（简称锅炉“四小管”）的泄漏和爆管。管道泄漏和爆管事故会造成机组非计划停运，是影响火力发电厂机组安全经济运行的主要因素。近年来，随着火力发电厂机组运行时间的延长，锅炉各承压部件的金属材料逐渐发生老化。长期的高温腐蚀、机组启停以及深度调峰，使得材料应力集中和裂纹等各类缺陷不断增多，锅炉“四小管”爆管的概率大幅增加。火电厂机组的非计划停运不仅给发电企业造成较大经济损失，也会影响电网的正常调度，极易发生各类电网事件。在锅炉“四小管”中，末级过热爆管问题时有发生，本文根据一起典型案例进行爆管原因分析，并提出相关处理对策。某电厂 1#炉为超临界 型炉，运行时间约 2.5 万 h。末级过热器管高温出口段左数第13 屏、前数第 6 根管道弯头部位在点火运行并网后25 h 爆管，爆管前壁温 567，锅炉末级过热器共 82屏管屏，每屏 12 根管道。为了分析爆管原因，消除设备隐患，保障机组稳定运行，对爆裂的 SA-213T91 钢管进行失效分析1-6。1 相关检验与力学性能分析1.1 宏观检验本次爆管宏观形貌如图 1 所示，爆口呈鱼嘴状，爆口内壁、外壁均出现大量与爆口方向平行的树皮纹。爆口尺寸长约 43 mm，宽约 20 mm，爆口边缘管壁严重减薄成薄刃状。从爆口的宏观分析来看，末级过热器爆管具有超温过热爆漏的特征。分别取样 a 和 b，其中 a 为图 1 中所示爆口位置，b 为远离爆口的位置。图 1 爆口宏观形貌及样品 a 取样位置1.2 显微组织检验在爆口尖端位置及远离爆口位置分别取 a、b 试现 代 制 造 技 术 与 装 备1322023 年第 10 期总第 323 期样进行显微组织分析和内壁氧化皮形貌观测。爆口位置a 试样横截面显微组织，如图 2 所示。由图 2 可见，金相组织严重老化，碳化物大量析出并沿晶界聚集，爆口尖端组织被拉长。爆口位置 a 试样纵截面显微组织，如 图3所示。由图3可清晰见到沿晶界分布的链状碳化物。经测量，单个碳化物尺寸在 1.3 m 左右。50 m图 2 a 试样横截面显微组织20 m图 3 a 试样纵截面显微组织b 试样距离爆口位置约 250 mm，对其进行金相检验，其横截面显微组织如图 4 所示。金相组织为回火索氏体，根据火力发电厂金属技术监督规程（DL/T 8842019）对试样金相组织进行评级7，b 试样的金相组织老化级别为 3.5 级，属于中度老化。该位置的氧化皮显微形貌如图 5 所示，可见试样内壁氧化皮厚度为 198.365 m，且呈多层形貌结构。氧化皮的表层结构为柱状晶层，含有较多的空隙和裂纹，与内层氧化皮有明显的分界面。炉管金属当量运行壁温计算经验公式为()=273.15log2log 0.4678aTbtx+（1）式中：T为当量金属温度，；t为管内壁氧化层厚度，mm；x为管道已运行时间，h；a、b为材料常数。50 m图 4 b 试样横截面显微组织代入相关数据，求得爆管的当量壁温为 649，可见所送检的爆口管道长期处于较高温度水平下运行。蒸汽温度越高，氧化皮表层的团簇状物质生成的越多，外层氧化皮越疏松，氧化皮整体的黏附性和抗氧化性就越差，易发生剥落。200 m198.365 m基体内层 表层图 5 b 试样氧化皮显微形貌1.3 力学性能分析分别对 a、b 样品进行显微维氏硬度测试，选取参数为载荷 200 g、保载 10 s，将测得的维氏硬度换算为布氏硬度后汇总于表 1。根据火力发电厂金属技术监督规程（DL/T 4382016），SA-213T91 钢管的布氏硬度值应为 180 250 HBW8。由表 1 中的数据可知，爆口位置 a 试样的硬度平均值为 172 HBW，远离爆口位置 b 试样的硬度平均值为 188 HBW。爆管位置的硬度值低于标准技术要求，而且明显低于远离爆口位置的硬度值。133工 艺 与 装 备表 1 试样的硬度值试样类别硬度值/HBWa170、171、174、174、169b198、187、182、185、190对送检的管道弯头上侧直管段沿纵向制取 3 根试样，分别进行常温拉伸试验，检测结果如表 2 所示。试验结果显示，爆口管道的力学性能符合高压锅炉用无缝钢管（GB/T 53102017）的要求9。表 2 常温拉伸试验结果试样类别屈服强度s/MPa抗拉强度b/MPa延伸率/%试样 143663129.5试样 240261130.0试样 345363926.5平均值43062728.7规范要求值 415 585 202 问题分析及对策对#1 炉末级过热器爆管失效管道进行宏观检查和取样后可知，编号 D13-6 末级过热器管道爆管具有超温过热爆漏的特征，爆口位置金相已严重老化，并出现方向性变形，且远离爆口部位的金相组织中度老化。爆口位置的硬度不满足火力发电厂金属技术监督规程（DL/T 4382016）标准的要求，且明显低于远离爆口处的硬度。管道的常温力学性能符合标准要求，其内壁氧化皮厚度约为 198 m，估算爆管的当量壁温为 649，可见送检的爆口管道长期处于较高温度下运行。综合试验结果可以得出，爆口位置及远离爆口位置的显微组织已中度或完全老化，较厚的内壁氧化皮表明该管存在较长时间的过热。在机组启停的过程中，管壁金属温度变化产生的热应力是内壁氧化皮剥落的主要原因。随着管内壁氧化皮的剥落，氧化皮逐渐在管道下弯头处堆积，导致管道内介质流量不断减少，造成管壁的平均温度持续升高。鉴于此，建议停炉时除对管道下弯头进行常规氧化皮堆积检查外，有必要检测内壁氧化皮的厚度，及时清理管内壁厚度偏大或者在启停炉及运行过程有较大剥落倾向的氧化皮。同时，采用内壁氧化皮测厚及寿命诊断原理，全方位分析锅炉高温受热面管的应力、温度及寿命情况，进而指导炉管的检修计划和方案，提高设备的安全性及检修的针对性。需要注意，管内壁氧化皮测厚是一种抽样测量方法，而内壁氧化皮本身是一个不断生成与剥落的交替过程，在实际操作中有可能发生部分测量结果与炉管实际劣化状况不符的情况。因此，还应结合金相分析及其他手段，更加准确地分析炉管的实际寿命情况，改善锅炉及其管道的运行工况，保证各部件在设计条件范围内运行，从源头遏制炉管超温爆管的发生。3 结语某电厂末级过热器管发生爆管现象，通过宏观检验、显微组织检验和力学性能分析，探究爆管原因，并提出相关建议，以改善锅炉及其管道的运行工况，消除设备隐患，避免再次出现超温爆管问题。未来，随着超超临界机组中新结构、新材料、新工艺的应用，锅炉管道安全运行将会涌现出更多难题。锅炉管道的防爆管工作重在预防，电厂运行管理人员应杜绝检查死角，确保能够及时发现锅炉存在的问题，将爆管事故消除在萌芽阶段，有效提升发电企业的经济效益。参考文献1 包文东，郑坊平，崔雄华，等.超临界锅炉末级过热器T91 钢管爆管原因分析及预防措施 J.理化检验：物理分册，2012（10）：704-707.2 钟万里，卢方龙，童亮，等.火力发电厂一级过热器爆管分析 J.广东电力，2001（1）：29-30.3 鲁玉龙，薛守洪，徐蓓，等.火电厂 1025T/h 锅炉高温过热器爆管分析 J.腐蚀科学与防护技术，2008（3）：193-196.4 佟得吉.超临界机组锅炉末级过热器管爆管分析 J.中国特种设备安全，2020（11）：52-56.5 刘爽，赵永宁.火电厂屏式过热器热腐蚀失效原因分析 J.热加工工艺，2009（24）：185-187.6 张成.火电厂高温过热器泄漏原因分析及防范 J.江西电力职业技术学院学报，2015（1）：19-21.7 国家能源局.火电厂金相检验与评定技术导则：DL/T 8842019S.北京：中国电力出版社，2020.8 国家能源局.火力发电厂金属技术监督规程：DL/T 4382016S.北京：中国电力出版社，2017.9 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.高压锅炉用无缝钢管：GB/T 53102017S.北京：中国标准出版社，2017.