某300MW亚临界锅炉后屏过热器爆管失效分析

某300MW亚临界锅炉后屏过热器爆管失效分析

孙春伟

内蒙古鄂尔多斯电力有限责任公司  内蒙古 鄂尔多斯016064

摘要：通过后屏过热器失效管样的爆口宏观分析、化学成分分析、力学性能分析和金相组织观察等方法，研究了某电厂300MW亚临界锅炉后屏过热器12Cr1MoVG管发生爆管的原因。

关键词：后屏过热器；爆管；失效分析

0引言

某火力发电厂1号锅炉由东方锅炉股份有限公司制造，其型号为SG-1025/18.55-M725的燃煤发电锅炉，该锅炉为亚临界参数、一次中间再热。该机组于2007年12月正式建成投产发电，截止停机该机组共运行了41939.39h。后屏过热器受热面管壁设定报警温度为553℃，后屏过热器规格为54×9mm，材质为12Cr1MoVG。

1试验结果

1.1宏观检查

爆口长约182mm，宽约98mm，两个爆口边缘为钝边，爆口最薄处厚度为4.32mm，爆口边缘均被氧化，爆口周边沿轴向分布有大量的树皮状纹理，内外壁均存在较厚的氧化皮（见图1所示）。

（a）爆口轴向测量             （b）爆口横向测量

图1爆管宏观形貌图

1.2化学成份检测

对爆管和未爆管分别选取试样进行了化学成份检测，检测发现爆管及未爆管试样化学成份均符合相关标准要求[1]（具体数据见表1）。

表1化学成份检测表

1.3力学性能检测

对爆管和未爆管分别选取试向火侧及背火侧进行屈服强度、抗拉强度及纵向延伸率等三项力学性能指标检测，检测发现两根爆管及未爆管三项力学性能指标符合相关标准要求[1]。

表2力学性能检测

1.4金相检验

对爆管选取爆管边缘、爆口裂纹尖端、爆口管背侧以及未爆管向火侧和背火侧试样在显微镜下进行了低倍及高倍观察。在100倍视场中观察发现爆管爆口边缘外壁存在脱碳层，爆管外壁脱碳层最大达到260.54μm，（见图2所示），未爆管外壁未发现有脱碳现象。

图2爆管脱碳层测量图

在100倍视场下对爆管及未爆管进行了未剥落氧化皮厚度测量和观察，测量发现内壁氧化皮厚度均较大，爆管内壁氧化皮厚度最大值达到271.63μm，而未爆管内壁氧化皮厚度最大值达到额302.30μm，氧化皮主要有与金属基体紧密贴合的致密层和与管内介质接触的疏松层构成（见图3所示）。

（a）爆口内壁氧化皮厚度测量     （b）未爆管内壁氧化皮厚度测量

图3 氧化皮测量图

在400倍视场下对爆管爆口边缘、裂纹尖端、爆口背部及未爆管的向火侧和背火侧进行了金相组织观察，同时参照相关标准对金相组织进行了组织分析与评定[2,3]。观察发现爆管裂纹尖端附近金相组织为铁素体+珠光体，珠光体球化3级，晶粒度6-7级，裂纹为沿晶裂纹加穿晶裂纹的混晶裂纹，裂纹内部存在黑色氧化物（见图4-（a）所示）。爆口边缘金相组织为铁素体+碳化物，视场范围内珠光体已全部球化，且视场范围内有大量蠕变空洞存在（见图4-（b）所示）。爆管背面侧母材金相组织为铁素体+珠光体，珠光体球化2-3级，晶粒度6-7级（见图4-（c）所示）。

（a）爆口裂纹尖端金相组织形貌    （b）爆口边缘金相组织形貌

（c）爆口背面侧母材金相组织形貌

   图4爆口金相组织图

观察发现未爆管向火侧金相组织为铁素体+珠光体+碳化物，珠光体球化3-4级，晶粒度6级，珠光体边界轮廓尚清晰，但珠光体含量较少，珠光体内渗碳体逐渐分解形成碳化物并聚集在晶界上（见图5-（a）所示）。未爆管背火侧金相组织为铁素体+珠光体+碳化物（见图5-（b）所示）。

（a）未爆管向面侧母材金相组织（b）未爆管向面侧母材金相组织

图5未爆管母材金相组织

2 失效原因分析

从各项检测结果来看，爆管及未爆管的化学成份未见异常，力学性能主要指标也符合相关标准要求，但多数力学性能指标接近标准规定下限，爆口附近金相组织显示组织球化非常严重，其余部位金相组织比较正常，内壁氧化皮厚度均较厚。

资料显示铬钼钢氧化皮剥落的临界厚度因管子规格、运行工况和温度变化幅度而不同，一般在0.2-0.5mm之间，在达到临界剥落厚度之前，内壁氧化皮与金属基体紧密结合在一起不易剥落，当内壁氧化皮达到剥落临界厚度后，由于具有较强韧性的金属基体12Cr1MoVG与脆性较大的氧化皮线膨胀系数的存在较大差异，前者线膨胀系数约为12.8-14.1，后者中Fe

3O4线膨胀系数约为9.1，Fe2O3线膨胀系数约为14.9，FeO线膨胀系数约为12.2，两者在锅炉升、降温过程或在运行中温度有波动的情况下因膨胀量不同而使外层氧化物产生分离剥落，当剥落并堆积在受热面管下部弯头的氧化皮达到一定数量时便会影响到管内介质的通流量，最终造成管子超温，甚至发生爆管[4]。

本次后屏过热器爆管及存在超温现象的管子多集中在管屏内圈，初步怀疑因前期运行过程中存在超温、炉膛烟温偏差、运行中负荷存在波动以及低负荷工况运行等不利因素导致受热面管内壁在长期运行中产生了较厚的氧化皮，在最近一次点炉和运行中因升温速度过快及运行温度产生波动造成之前形成的超过或接近剥落临界厚度的氧化皮大面积剥落堵塞管子，而最终造成管子超温爆管。

3 建议

（1）加强金属监督和化学分析，对热负荷较集中部分采取割管检查和化学分析，对易结焦、易磨损、吹灰器易吹薄的部位进行侧厚检查，对过热器、再热器等易超温的部位进行金相分析；加强水质检测与监测，严禁使用不合格炉水，以减少氧化皮形成氛围；加强过热器垢量的监控工作，做到逢修必检，机组启动或停机期间避免快升快降负荷的情况，如果过热器管屏出现氧化皮脱落[5]或因氧化脱落造成爆管事故时，应对过热器进行化学清洗。

（2）运行过程中加强受热面金属壁温监测，尤其是加强中间管屏金属壁温的监测，必要时可增加中间全部管屏壁温测点[6,7]。

（3）加强四管附件的检查，如防磨瓦、管排卡子和护体铁，整理管排严防形成烟汽走廊；加强"四管"的检查监督力度。建立健全“四管”防磨防爆小组成员工作机制，电厂要充分利用大、小修对四管进行宏观检查，坚持"逢停必检"原则，掌握锅炉"四管"金属长期运行中的性能规律，发现和消除金属事故的隐患。

参考文献

[1] GB5310-2008，高压锅炉用无缝钢管[G].北京：中国标准出版社，2008.

[2]DL/T773－2001《火力发电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》[G].北京：中国标准出版社，2001.

[3]GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定法》[G].北京：中国标准出版社，2002.

[4]王定. 大容量超临界锅炉金属氧化皮问题综合分析[D].上海交通大学, 2010.

[5] 李维. 国产300MW级亚临界锅炉末级过热器氧化皮堵塞造成爆管原因分析及预控措施[J]. 中外企业家, 2016,15:177.

[6] 陈跃飞, 王贤民. 水塞引起的锅炉屏式过热器爆管原因分析及预防[J].中国特种设备安全,2015.

[7] 郑准备,张兵,王小迎,等. 1100t/h锅炉再热器失效分析[J].热加工工艺,2004(6):53-55.