長(zhǎng)期過熱造成的過熱器爆管案例分析

發(fā)布時(shí)間：2015-11-05 點(diǎn)擊：95

長(zhǎng)期過熱導(dǎo)致高溫蠕變與高溫氧化腐蝕

一、概述

某電廠2號(hào)爐系上海鍋爐廠SG1000-17.0/555型雙爐膛直流爐，產(chǎn)品系列編號(hào)為M307，投產(chǎn)于1986年10月，截至1995年12月31日，該爐已累計(jì)運(yùn)行64270h，啟停136次。

該爐型采用單爐體雙爐膛II型布置，一次汽水系統(tǒng)對(duì)應(yīng)甲、乙兩個(gè)爐膛分成兩個(gè)獨(dú)立的并聯(lián)系統(tǒng)，中間沒有交叉混合。過熱器系統(tǒng)由頂棚過熱器、包覆過熱器、低溫對(duì)流過熱器、屏式過熱器及高溫對(duì)流過熱器五級(jí)組成。其中，屏式過熱器又分為前、后兩組布置，每組各20屏，前后屏的單屏結(jié)構(gòu)相同，均采用管夾管方式，由22根U形管組成。后屏管材為II11鋼，即12Cr₃MoVSiTiB,規(guī)格為擬Φ42mm X 7mm和價(jià)Φ42mm X 7.5mm，參見圖3-1。

過熱汽溫采用二級(jí)減溫噴水調(diào)節(jié)方式。其中一級(jí)噴水減溫器布置在前屏過熱器的進(jìn)口，設(shè)計(jì)噴水量為甲乙兩路10t/h。二級(jí)噴水減溫器布置在后屏出口與高溫過熱器進(jìn)口之間，甲乙兩側(cè)各兩路，共20t/h，見圖3-2。

在額定工況下，低溫過熱器出口工質(zhì)溫度為404.9℃(即中間溫度)，經(jīng)一級(jí)噴水減溫后，進(jìn)入前屏的工質(zhì)溫度為400.9℃，前屏出口進(jìn)后屏的工質(zhì)溫度為472.7℃，后屏出口時(shí)工質(zhì)溫度為525.9℃，后屏怡升為167.89kJ/kg，后屏進(jìn)口處的煙溫設(shè)計(jì)值為1097.8℃，后屏管的最高計(jì)算壁溫為606.5℃。

該爐投運(yùn)近30000h后，后屏過熱器開始發(fā)生頻緊的爆管事故，嚴(yán)重地威脅著機(jī)組的安全運(yùn)行。從投產(chǎn)到1995年6月，后屏過熱器共發(fā)生爆管事故14次，造成機(jī)組停運(yùn)1130h.少發(fā)電量306 GW?h，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)6000萬(wàn)元以上。14次事故中除一次是定位元鋼拉裂外，其余13次均為過熱爆管。

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二、爆管情況

該爐后屏過熱器首次發(fā)生爆管的位置在第17屏的向火側(cè)下部彎頭的外弧面處，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間僅27890h。在運(yùn)行到31000h后，又相繼發(fā)生4次爆管事故，位置均為屏的向火側(cè)下部彎頭處。

把20屏的下部最外圈U形彎頭全部更換成新管后(管材不變，仍為II11),穩(wěn)定運(yùn)行了2年，至1993年6月，更換的彎頭又發(fā)生爆管，最短運(yùn)行時(shí)間僅14300h。

當(dāng)后屏過熱器累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)56000h后，其出口直徑管段在頂棚下方1~5m范圍內(nèi)又開始發(fā)生多次爆管事故，見表3-2。

三、壁溫測(cè)試

測(cè)點(diǎn)安裝在后屏過熱器的爐外管上。每片屏的進(jìn)口安裝一測(cè)點(diǎn)，在出口段最易發(fā)生爆管的第1根、第3根、第20根上各裝一測(cè)點(diǎn);為了測(cè)定同屏管間溫度偏差，在第16屏的出口段22根管子上各裝一測(cè)點(diǎn)，共計(jì)99個(gè)爐外壁溫測(cè)點(diǎn)。根據(jù)制造廠熱力計(jì)算書，爐內(nèi)

表3-2爆管時(shí)間及位置

最高壁溫比爐外汽溫要高80℃，后屏出口段平均壁溫比出口汽溫要高75℃。

試驗(yàn)按不同負(fù)荷、不同中間溫度、不同主汽溫度、不同減溫水量、不同給水溫度五大

項(xiàng)20余種工況進(jìn)行。主要結(jié)論如下:

(1)爐膛出口煙氣流場(chǎng)沿?zé)煹缹挾确较蚍植疾痪?，造成后屏?/span>2~5, 16~18屏區(qū)域煙氣流速過高，屏間熱偏差系數(shù)達(dá)1. 3以上。

(2)在同屏22根管中，以第1根、第2根、第3根、第19根、第20根管壁溫最高，同屏熱偏差系數(shù)達(dá)1. 45以上。

(3)高壓加熱器投運(yùn)與否對(duì)過熱汽溫影響較大，全投與不投高壓加熱器相比，屏式過熱器壁溫要下降10℃以上。

(4)爐膛出口煙速偏高，額定工況下后屏處煙速比設(shè)計(jì)值約高lm/s。結(jié)果造成后屏過熱器進(jìn)、出口煙溫雖然比設(shè)計(jì)值低120~150℃，但后屏過熱器恰升卻偏高。

(5)按額定設(shè)計(jì)工況運(yùn)行(即高壓加熱器全部投運(yùn)、減溫水投自動(dòng)、300MW負(fù)荷、中間溫度按設(shè)計(jì)要求控制在404℃左右)。后屏過熱器第2屏、第3屏、第4屏、第16屏、第17屏、第18屏的第1根、第2根、第3根、第8根、第18根、第19根、第20根管超溫幅達(dá)14~38℃，其余各屏的超溫幅值也在10℃以上。若中間溫度升高，管屏超溫幅度將呈線性增加。如高壓加熱器停運(yùn)或一級(jí)減溫水停用，超溫將更加嚴(yán)重。

四、金相及性能測(cè)試

1.爆口宏觀檢查

歷次爆管的爆破口的外貌都很相似，均呈軸向長(zhǎng)條狀。破口邊為鈍邊，斷裂面粗糙而不平整，管子無(wú)明顯脹粗，但破口處管壁厚度減薄較多，破口附近肉眼可見密集的平行于破口的縱向裂紋。為典型的長(zhǎng)期過熱爆管的特征。

2.化學(xué)成分分析

對(duì)庫(kù)存?zhèn)淦饭?、爆破管及運(yùn)行管管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果均符合BG 5310-85規(guī)定。

3.機(jī)械性能測(cè)試

選取運(yùn)行管及爆破管共8根管樣，分別在室溫和620℃下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)定各管段向火面機(jī)械性能均比原始新管有明顯降低，表3 -3為兩組代表性數(shù)據(jù)。

表3-3 機(jī)械性能測(cè)試

4。硬度測(cè)試

對(duì)不同管樣的多截面進(jìn)行了硬度測(cè)試，備品新管的硬度為HB214，而運(yùn)行管樣的平均硬度向火面為HB178、背火面為HB188 ,爆破管樣的平均硬度向火面為HB156、背火面為HB171。硬度值的變化表明經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，材料的強(qiáng)度己明顯下降。

5.金相試驗(yàn)

從爆口橫截面可看出，裂紋萌生于外壁并沿晶界向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋前沿有大量尺寸接近晶粒大小的蠕變孔洞，裂紋內(nèi)充滿氧化產(chǎn)物，見圖3-3。

對(duì)鋼中碳化物相分析結(jié)果表明，無(wú)論是運(yùn)行管樣還是爆破管樣，其合金元素Cr的轉(zhuǎn)移量均相當(dāng)大，碳化物相已大部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的M₆C相。富Cr的M₂₃C₆相的含量已大為減少MeC相的大量出現(xiàn)表明管材超溫非常嚴(yán)重，此時(shí)管材的抗高溫腐蝕和抗蠕變能力己明顯下降，鋼的耐熱性能處于最低水平，見表3-4、表3-5。

6.氧化腐蝕

后屏過熱器管的內(nèi)外壁均存在著較厚的氧化物垢層，外壁垢層集中于向火面，內(nèi)壁垢層則是管壁四周均有，但向火面較厚。在高倍顯微鏡下觀察垢層的形態(tài)結(jié)構(gòu)，可發(fā)現(xiàn)在管外壁的最表面有內(nèi)氧化層存在，并伸入到裂紋內(nèi)基體表面。氧化是沿基體晶界發(fā)展的，使得部分晶粒完全脫落而形成晶粒大小的孔洞。在應(yīng)力集中部位，鏈狀的大孔洞連接就形成微裂紋。當(dāng)外層氧化垢層剝落時(shí)，微裂紋就穿越內(nèi)氧化層而深入基體，最終導(dǎo)致管材失效。

五、原因分析

1.爆管原因

通過上述試驗(yàn)，可以得出結(jié)論，即后屏過熱器頻繁爆管的原因是長(zhǎng)期過熱導(dǎo)致的高溫蠕變與高溫氧化腐蝕共同作用的結(jié)果。

2.超溫原因分析

(1)設(shè)計(jì)因素。

1)熱偏差考慮不夠。后屏過熱器最高計(jì)算壁溫為606.5℃，根據(jù)實(shí)鍘由于四角切圓燃燒的煙氣旋轉(zhuǎn)余量造成爐膛出口煙道沿寬度方向的熱偏差系數(shù)達(dá)1. 3以上，而后屏過熱器又存在結(jié)構(gòu)不均和流量不均等因素，同屏偏差系數(shù)為1. 45，單管最大熱偏差系數(shù)可達(dá)1.9以上。因此，即使按設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，后屏過熱器部分管圈的壁溫也在620℃以上。

2)選材缺少安全裕度。在設(shè)計(jì)該型鍋爐時(shí)，按鑰材使用溫度上限為620℃的標(biāo)準(zhǔn)選用了II11鋼作為后屏過熱器的管材。根據(jù)實(shí)踐，Bl1鋼的高溫?zé)釓?qiáng)性能并沒有這么高，我國(guó)《蒸氣鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》以及《電力工業(yè)鍋爐監(jiān)察規(guī)程》均將該鑰的最高使用溫度降到600,0。當(dāng)B11鋼在金屬壁溫600℃以上長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，管子內(nèi)外壁均存在著嚴(yán)重的氧化腐蝕，外壁向火面氧化層厚度達(dá)0.8~1.2mm，內(nèi)壁氧化層厚度在0.6~0.8mm，垢量達(dá)1200g/m²，以上。如此大的腐蝕量是設(shè)計(jì)時(shí)未曾考慮到的。而在后屏過熱器管子壁厚的選擇上，按照計(jì)算，最小需要壁厚應(yīng)為7.69mm，設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)優(yōu)化后取7.5mm。這樣后屏管已無(wú)任何安全裕度可言。

3)一級(jí)減溫水自動(dòng)主調(diào)節(jié)信號(hào)取樣點(diǎn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。一級(jí)減溫水主要作用是保護(hù)屏式過熱器不超溫，其主調(diào)節(jié)信號(hào)應(yīng)取后屏出口、二級(jí)減溫器前，該爐設(shè)計(jì)時(shí)卻將主調(diào)節(jié)信號(hào)取在二級(jí)減溫器后。該方式運(yùn)行了10年后才被發(fā)現(xiàn)，在此期間屏式過熱器超溫基本上失去了調(diào)節(jié)手段。

(2)運(yùn)行因素。

1)運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)。運(yùn)行中后屏過熱器的工質(zhì)溫度可調(diào)范圍最大可達(dá)100，當(dāng)后屏過熱器出口汽溫在480~580℃時(shí)，司爐只要通過增減二級(jí)減溫水量，就可維持主汽溫度正常。因此為了便于調(diào)節(jié)，司爐往往保持較大的過熱汽溫調(diào)節(jié)余地，使二級(jí)減溫水量超過設(shè)計(jì)值2X10t/h，平均達(dá)到2X15t/h。由于未能嚴(yán)格控制煤水比，使得中間溫度超高，導(dǎo)致后屏過熱器超溫。

2)設(shè)備存在的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1987~1989年高壓加熱器投運(yùn)率僅20%;經(jīng)改進(jìn)，1990~1993年投運(yùn)率也僅50%。這導(dǎo)致給水溫度長(zhǎng)期偏低，加重了后屏過熱器超溫。雙爐膛結(jié)構(gòu)造成中縫密封困難，因爐膛漏風(fēng)嚴(yán)重，使?fàn)t膛出口煙速大于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致后屏過熱器吸熱增多、焓升增大。