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摘要：本文主要分析某火电公司锅炉末过管排长时超温过热引发爆管的案例以及受热面失效的机理与原因，提出了预防和控制受热面失效的相应措施，降低因受热面失效引起爆管的机组非停。
关键词：受热面 长时过热 短时过热 失效 措施
前言
随着我国电力行业迅速发展，一批大容量、高参数的火电机组投入运行，如600MW、1000MW，超临界、超超临界等超高参数的机组在电力装备中占据的比重越来越大，大容量、高参数的火电机组发生故障后损失大、影响大，因此必须高度重视机组的安全健康水平。据统计分析，发电设备事故和不安全事件中，锅炉设备与系统所占比例最大，而锅炉承压部件爆漏又是其中的主要问题，一般占机组非正常停机事故的50%以上，因此，控制锅炉承压部件爆漏是提高机组可靠性最重要的工作。
一．案例分析
某电厂6号机组为我国首批自行设计制造的660MW超临界机组，SG-2102/25.4-M953型锅炉，为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，2007年11月投产。2018年05月25日，末级过热器受热面发生泄漏，管材质为SA-213 T91，规格为φ38×6（mm）。
1. 宏观检测
泄漏点位于炉末级过热器入口管排由A向B侧数第30排由向火侧向后数第5根上部（标高69200mm，在该部位布置为第1根）让位弯管处，沿管子纵向鼓包后爆口，长度约15mm，开口宽度0.8mm（见图1）。泄漏部位管壁未见减薄，表面有明显纵向密布裂纹及鼓包现象，管口内可见明显的氧化皮，具有长期过热爆管特征。泄漏的蒸汽将相邻第29排相同部位管段吹损造成泄漏（见图2）。
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图2
2. 元素分析
化学成分符合SA213《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子》对T91的化学成分要求。
3. 金相检验
（1）爆口边缘处金相组织为回火马氏体组和碳化物，组织老化4级（如图3）。
（2）距爆口周向10mm、20mm处金相组织为回火马氏体组和碳化物，组织老化3～4级。
（3）爆口对面金相组织为回火马氏体组织，组织老化2级。
（4）距爆口轴向100mm、200 mm处金相组织为回火马氏体组织，组织老化1～2级。
（5）相邻第29排吹损泄漏管样金相组织为回火马氏体组织，组织老化1级（如图4）。
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图4
4.分析及结论：
（1）化学成分符合SA213《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子》对T91的化学成分要求；
（2）末级过热器入口管排让位弯管处泄漏管材的金相组织为回火马氏体和碳化物组织，组织老化最大4级，符合长期过热爆管金相组织特征。
（3）相邻吹损泄漏管样金相组织为回火马氏体组织，组织老化1级，组织状态正常。
综合试验结果和分析，末级过热器入口管排让位弯管处泄漏爆管原因为长时过热。
三. 现役机组受热面概况
锅炉受热面管包括省煤器、水冷壁、过热器和再热器。近年来，高参数超临界、超超临界机组越来越多，受热面的材质、结构发生很大变化，受热面泄露问题越来越严峻。然而，仔细研究受热面的结构特点和泄露原因，采取有效措施，是可以大幅度地减少泄露次数的。所以，我们就要立足于受热面结构特点和泄露原因，多角度审视受热面管的失效，以减少受热面的泄露概率，进一步增加机组的安全性和经济性。
1. 受热面管材料的选用原则
选用受热面管材料时，应综合考虑以下几个方面因素：一是高温蠕变性能；二是抗烟气腐蚀性能；三是抗蒸汽氧化性能。另外，还要考虑加工性能、焊接性能和短时力学性能，选材原则主要取决于工作温度，温度越高，所用钢的合金元素含量越高，钢材的价格就越高，焊接性能就随之变差，对于设计者来说，兼顾安全性和成本，综合考量尤为重要。
2. 合金特点
T23合金钢是在G102钢的基础上，通过加入钨，减少钼和碳量，并加入少量的钒、铌、氮和硼而成。正火、回火后的组织为回火贝氏体--马氏体。600℃时，T23钢具有优良的热强性、抗氧化性，且无脆化的危险，焊接性能良好。
T91钢属于改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，其优点是高的Cr量和少量Al的加入，大大提高了钢的抗氧化能力和热稳定性；高的合金含量增加了固溶强化能力；少量N的加入使钢的第二项增加，不仅有碳化物，还有氮化物等，增加了沉淀强化的能力；强碳化物元素Nb的加入在钢中形成复合碳化物。
TP304H为奥氏体不锈钢热强钢，具有良好的弯管、焊接工艺性能、高的持久强度、良好的耐腐蚀性能和组织稳定性，冷变形能力非常高。在TP304H基础上加入适量阻止奥氏体晶粒长大的Cu、Nb、N等，开发出了S30432经济性奥氏体钢。
四．受热面管的失效
1. 过热爆管
过热爆管分为长期过热爆管和短期过热爆管。虽然都是超温造成的，但其性质完全不同。过热失效是材料在一定时间内的温度和应力作用下出现的失效形式，是蠕变形式在电站锅炉高温部件的具体表现形式，主要发生于受热面管道上。
（1）短期过热爆管
短期过热爆管的特征是爆管管径有明显的涨粗，管壁减薄呈刀刃状，爆口较大，呈喇叭状，典型薄唇型爆口，断口微观形貌为韧窝。爆管后的组织为拉长的铁素体和珠光体，管壁温度为Ac1~Ac3，其组织取决于爆破后喷出的汽水的冷却能力，可分别得到低碳马氏体、贝氏体、珠光体和铁素体，爆破口周围管材的硬度显著提高(如图5）。
（2）长期过热爆管
管子长期在高温高压下运行，管材金相组织会发生老化，性能逐步退化，当达到一定程度时就会发生长期过热爆管。长期过热爆管实际是蠕变损伤的一种形式。长期过热爆管的宏观特征是呈脆性爆管特征，爆口较小，管壁减薄相对较小，管件在长期作用下有一定的涨粗，爆口周围存在较为严重的氧化皮，且爆口周围存在许多纵向开裂裂纹；微观特征是典型的沿晶蠕变断裂，主断口附近有许多平行的沿晶小裂纹和晶界孔洞，珠光体区域形态消失。
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图5
2.腐蚀
金属材料受周围环境介质的化学与电化学作用而引起的损坏叫腐蚀失效。腐蚀对部件损坏的表现为失重、破坏材料表面完好状态和生产裂纹。 常见腐蚀失效的主要类型包括氢腐蚀、碱腐蚀、氧腐蚀。
(1)氢腐蚀
当受热面管介质受到环境污染使炉水呈酸性时，介质中的氢离子会对管子造成损伤，使金属产生脆化。一般将氢损伤的物理过程称为“氢脆”，化学过程称为“氢腐蚀”。其爆口特征一般无明显减薄，破口边缘粗钝，没有塑性变形和涨粗，呈脆性断裂特征。
(2) 碱腐蚀
由于炉水中含有氢氧化钠等碱性物质导致炉水Ph值过高造成的。碱腐蚀的失效机理是应力腐蚀，其腐蚀开裂的形式主要为穿晶和沿晶。
(3) 氧腐蚀
由于给水含氧量较高，水中含氧量较多而使内壁产生点状腐蚀，减薄到一定程度就会造成管子泄露。
3. 疲劳
（1）热疲劳
当部件承受交变热应力的作用时就会出现疲劳失效。热疲劳裂纹容易出现在热应力大和应力集中部位。热疲劳断口具有疲劳断口的宏观断裂特征，发生热疲劳损坏的管子表明一般有大量的裂纹，其形貌一般为横向断口。另一种疲劳裂纹是网状裂纹，热疲劳裂纹走向为穿晶型，缝隙中一般充满氧化物。如果吹灰急冷，就会引发交变应力，而使水冷壁形成热疲劳现象。
（2）机械疲劳
锅炉在运行中如果出现定位装置松动或者夹持不当，会使受热面管产生振动，在管子某些部位会形成高周机械疲劳。机械疲劳的开裂特征是沿管子横断面开裂。另根据研究，对于铁素体钢和奥氏体不锈钢的异种钢接头，锅炉管在运行中还承受着一定的交变应力，这种交变应力主要来源于设备启停产生的交变热应力、炉管内气流波动引起的振动应力等。
4. 磨损
（1）机械磨损
磨损是受热面管泄漏中非常普遍的一种形式。定位卡块的失效或者夹持不牢会造成管排与管排之间、管排与加持管之间的磨损。当减薄到一定程度，就会发生爆管。
（2）飞灰磨损
省煤器工作环境温度较低，烟气中含有大量飞灰，飞灰中携带大量坚硬颗粒，冲刷管子表面，使省煤器出现飞灰磨损。当烟气速度高达30-40m/s时，磨损相当严重。
五. 受热面失效的预防措施
1. 受热面发生长时过热的主要原因是受热面运行中长期处于管材允许极限温度而发生，因此，要根据造成超温的原因，在运行中采取预防措施，控制好汽温、壁温，防止发生超温对锅炉受热面造成永久损坏和破坏。一是启停炉温差变化大容易应力集中，出现缺陷扩展以及氧化皮剥落堆积，启停炉应严格控制升（降）温速度等锅炉参数在允许范围内并严密监视；二是合理吹灰，及时根据负荷及燃烧情况进行调整；三是根据煤质等外部因素变化调整优化运行方式和参数。在检修时，要根据锅炉部件存在的超温问题，采取预防措施。一是锅炉停运后应按照规程规定时间进行闷炉，不得提前进行强制通风冷却；二是对重点部件进行管径胀粗测量，采用专门检测装置对不锈钢管下弯头部位进行无损检测，检查管内氧化皮的情况；三是对设计不当造成超温的，应进行改造。
2. 短时过热爆管的主要原因有受热面管被异物堵塞，或运行中未维持良好的汽水循环，发生汽塞现象，受热面管材温度短时间大大超出允许极限温度而使得材料较短时间内失效爆漏。因此，在运行中，控制运行操作，加强运行调整，稳定运行工况，保证良好的汽水循环；在安装和检修中，加强管理，防止异物进。
3.控制给水中的氧、氢等有害离子数量，加强化学监督，减少烟气的冲刷能有效减少腐蚀导致受热面失效的情况
4.调整支吊架，尽量降低管件的布局应力；稳定运行工况，防止热冲击；防止从排汽管中返回凝结水，防止雨水穿透保温层。检修时做好防磨防爆工作。
参考文献
[1] 赵永宁 邱玉堂. 《火力发电厂金属监督》北京： 中国电力出版社, 2007.
[2] 蔡文河 严苏星. 《电站重要金属部件的失效及其监督》 中国电力出版社, 2009
[3] 王荣. 金属材料的腐蚀疲劳. 西安： 西北工业大学出版社, 2001
论文作者:刘峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：金相论文; 组织论文; 锅炉论文; 机组论文; 疲劳论文; 裂纹论文; 应力论文; 《电力设备》2018年第21期论文;