鍋爐過熱器爆管的根本原因及防止措施

結(jié)合我國(guó)電站鍋爐過熱器爆管事故做了大量研究，把電站鍋爐過熱器爆管歸納為以下九種不同的機(jī)理。 

一、長(zhǎng)期過熱 

1.失效機(jī)理 

長(zhǎng)期過熱是指管壁溫度長(zhǎng)期處于設(shè)計(jì)溫度以上而低于材料的下臨界溫度，超溫幅度不大但時(shí)間較長(zhǎng)，鍋爐管子發(fā)生碳化物球化，管壁氧化減薄，持久強(qiáng)度下降，蠕變速度加快，使管徑均勻脹粗，最后在管子的最薄弱部位導(dǎo)致脆裂的爆管現(xiàn)象。這樣，管子的使用壽命便短于設(shè)計(jì)使用壽命。超溫程度越高，壽命越短。在正常狀態(tài)下，長(zhǎng)期超溫爆管主要發(fā)生在高溫過熱器的外圈和高溫再熱器的向火面。在不正常運(yùn)行狀態(tài)下，低溫過熱器、低溫再熱器的向火面均可能發(fā)生長(zhǎng)期超溫爆管。長(zhǎng)時(shí)超溫爆管根據(jù)工作應(yīng)力水平可分為三種：高溫蠕變型、應(yīng)力氧化裂紋型、氧化減薄型。 

2.產(chǎn)生失效的原因 

(1)管內(nèi)汽水流量分配不均； 

(2)爐內(nèi)局部熱負(fù)荷偏高； 

(3)管子內(nèi)部結(jié)垢； 

(4)異物堵塞管子； 

(5)錯(cuò)用材料； 

(6)最初設(shè)計(jì)不合理。 

3.故障位置 

(1)高溫蠕變型和應(yīng)力氧化裂紋型主要發(fā)生在高溫過熱器的外圈的向火面；在不正常的情況下，低溫過熱器也可能發(fā)生； 

(2)氧化減薄型主要發(fā)生在再熱器中。 

4.爆口特征 

長(zhǎng)期過熱爆管的破口形貌，具有蠕變斷裂的一般特性。管子破口呈脆性斷口特征。爆口粗糙，邊緣為不平整的鈍邊，爆口處管壁厚度減薄不多。管壁發(fā)生蠕脹，管徑脹粗情況與管子材料有關(guān)，碳鋼管徑脹粗較大。20號(hào)鋼高壓鍋爐低溫過熱器管破裂，最大脹粗值達(dá)管徑的15%，而12CrMoV鋼高溫過熱器管破裂只有管徑5%左右的脹粗。 

(1)高溫蠕變型 

a.管子的蠕脹量明顯超過金屬監(jiān)督的規(guī)定值，爆口邊緣較鈍； 

b.爆口周圍氧化皮有密集的縱向裂紋，內(nèi)外壁氧化皮比短時(shí)超溫爆管厚，超溫程度越低，時(shí)間越長(zhǎng)，則氧化皮越厚和氧化皮的縱向裂紋分布的范圍也越廣； 

c.在爆口周圍的較大范圍內(nèi)存在著蠕變空洞和微裂紋； 

d.向火側(cè)管子表面已完全球化； 

e.彎頭處的組織可能發(fā)生再結(jié)晶； 

f.向火側(cè)和背火側(cè)的碳化物球化程度差別較大，一般向火側(cè)的碳化物己完全球化。 

(2)應(yīng)力氧化裂紋型 

a.管子的蠕脹量接近或低于金屬監(jiān)督的規(guī)定值，爆口邊緣較鈍，呈典型的厚唇狀； 

b.靠近爆口的向火側(cè)外壁氧化層上存在著多條縱向裂紋，分布范圍可達(dá)整個(gè)向火側(cè)。內(nèi)外壁氧化皮比短時(shí)超溫爆管時(shí)的氧化皮厚； 

c.縱向應(yīng)力氧化裂紋從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋尖端可能有少量空洞； 

d.向火側(cè)和背火側(cè)均發(fā)生嚴(yán)重球化現(xiàn)象，并且管材的強(qiáng)度和硬度下降； 

e.管子內(nèi)壁和外壁的氧化皮發(fā)生分層； 

f.燃燒產(chǎn)物中的S、Cl、Mn、Ca等元素在外壁氧化層沉積和富集。 

(3)氧化減薄型 

a.管子向火側(cè)、背火側(cè)的內(nèi)外壁均產(chǎn)生厚度可達(dá)1.0～1.5mm的氧化皮； 

b.管壁嚴(yán)重減薄，僅為原壁厚的1/3～l/8 ； 

c.內(nèi)、外壁氧化皮均分層，為均勻氧化。內(nèi)壁氧化皮的內(nèi)層呈環(huán)狀條紋； 

d.向火側(cè)組織己經(jīng)完全球化，背火側(cè)組織球化嚴(yán)重，并且強(qiáng)度和硬度下降； 

e.燃燒產(chǎn)物中的S、Cl、 Mn、Ca等元素在外壁氧化層沉積和富集，促進(jìn)外壁氧化。 

5.防止措施 

對(duì)高溫蠕變型可通過改進(jìn)受熱面、使介質(zhì)流量分配合理；改善爐內(nèi)燃燒、防止燃燒中心偏高；進(jìn)行化學(xué)清洗，去除異物、沉積物等方法預(yù)防。對(duì)應(yīng)力氧化裂紋型因管子壽命已接近設(shè)計(jì)壽命，可將損壞的管子予以更換。對(duì)氧化減薄型應(yīng)完善過熱器的保護(hù)措施。 

二、短期過熱 

1.失效機(jī)理 

短期過熱

2.產(chǎn)生失效的原因 

(1)過熱器管內(nèi)工質(zhì)的流量分配不均勻，在流量較小的管子內(nèi)，工質(zhì)對(duì)管壁的冷卻能力較差，使管壁溫度升高，造成管壁超溫； 

(2)爐內(nèi)局部熱負(fù)荷過高(或燃燒中心偏離)，使附近管壁溫度超過設(shè)計(jì)的允許值； 

(3)過熱器管子內(nèi)部嚴(yán)重結(jié)垢，造成管壁溫度超溫； 

(4)異物堵塞管子，使過熱器管得不到有效的冷卻； 

(5)錯(cuò)用鋼材。錯(cuò)用低級(jí)鋼材也會(huì)造成短期過熱，隨著溫度升高，低級(jí)鋼材的許用應(yīng)力迅速降低，強(qiáng)度不足而使管子爆破； 

(6)管子內(nèi)壁的氧化垢剝落而使下彎頭處堵塞； 

(7)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，投入減溫水不當(dāng)，噴入過量，造成管內(nèi)水塞，從而引起局部過熱； 

(8)爐內(nèi)煙氣溫度失常。 

3.故障位置 

常發(fā)生在過熱器的向火面直接和火焰接觸及直接受輻射熱的受熱面管子上。 

4.爆口形狀 

(1)爆口塑性變形大，管徑有明顯脹粗，管壁減薄呈刀刃狀； 

(2)一般情況下爆口較大，呈喇叭狀； 

(3)爆口呈典型的薄唇形爆破； 

(4)爆口的微觀為韌窩(斷口由許多凹坑構(gòu)成)； 

(5)爆口周圍管子材料的硬度顯著升高； 

(6)爆口周圍內(nèi)、外壁氧化皮的厚度，取決于短時(shí)超溫爆管前長(zhǎng)時(shí)超溫的程度，長(zhǎng)時(shí)超溫程度越嚴(yán)重，氧化皮越厚。 

5.防止措施 

預(yù)防短期過熱的方法有改進(jìn)受熱面，使介質(zhì)流量分配合理；穩(wěn)定運(yùn)行工況，改善爐內(nèi)燃燒，防止燃燒中心偏離;進(jìn)行化學(xué)清洗；去除異物、沉積物；防止錯(cuò)用鋼材：發(fā)現(xiàn)錯(cuò)用及時(shí)采取措施。 

三、磨損 

1.失效機(jī)理 

包括飛灰磨損、落渣磨損、吹灰磨損和煤粒磨損。以飛灰磨損為例進(jìn)行分析。飛灰磨損是指飛灰中夾帶Si02, Fe03, Al2O3等硬顆粒高速?zèng)_刷管子表面，使管壁減薄爆管。 

2.產(chǎn)生失效的原因 

(1)燃煤鍋爐飛灰中夾帶硬顆粒； 

(2)煙速過高或管子的局部煙氣速度過高(如積灰時(shí)煙氣通道變小，提高了煙氣流動(dòng)速度； 

(3)煙氣含灰濃度分布不均，局部灰濃度過高。 

3.故障位置 

常發(fā)生在過熱器煙氣入口處的彎頭、出列管子和橫向節(jié)距不均勻的管子上。 

4.爆口特征 

(1)斷口處管壁減薄，呈刀刃狀； 

(2)磨損表面平滑，呈灰色； 

(3)金相組織不變化，管徑一般不脹粗。 

5.防止措施 

通常采用減少飛灰撞擊管子的數(shù)量、速度或增加管子的抗磨性來防止飛灰磨損，如：通過加屏等方法改變流動(dòng)方向和速度場(chǎng)；加設(shè)裝爐內(nèi)除塵裝置；杜絕局部煙速過高；在易磨損管子表面加裝防磨蓋板。還應(yīng)選用適于煤種的爐型、改善煤粉細(xì)度、調(diào)整好燃燒、保證燃燒完全。 

四、腐蝕疲勞(或汽側(cè)的氧腐蝕) 

1.失效機(jī)理 

腐蝕疲勞主要是因?yàn)樗幕瘜W(xué)性質(zhì)所引起的，水中氧含量和pH值是影響腐蝕疲勞的主要因素。管內(nèi)的介質(zhì)由于氧的去極化作用，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在管內(nèi)的鈍化膜破裂處發(fā)生點(diǎn)蝕形成腐蝕介質(zhì)，在腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力(包括啟停和振動(dòng)引起的內(nèi)應(yīng)力)的共同作用下造成腐蝕疲勞爆管。 

2.產(chǎn)生失效的原因 

(1)彎頭的應(yīng)力集中，促使點(diǎn)蝕產(chǎn)生； 

(2)彎頭處受到熱沖擊，使彎頭內(nèi)壁中性區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋； 

(3)下彎頭在停爐時(shí)積水； 

(4)管內(nèi)介質(zhì)中含有少量堿或游離的二氧化碳； 

(5)裝置啟動(dòng)及化學(xué)清洗次數(shù)過多。 

3.故障位置 

常發(fā)生在水側(cè)，然后擴(kuò)展到外表面。過熱器的管彎頭內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)狀或坑狀腐蝕，主要在停爐時(shí)產(chǎn)生腐蝕疲勞。 

4.爆口特征 

(1)在過熱器的管內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)狀或坑狀腐蝕，典型的腐蝕形狀為貝殼狀； 

(2)運(yùn)行時(shí)腐蝕疲勞的產(chǎn)物為黑色磁性氧化鐵，與金屬結(jié)合牢固;停爐時(shí)，腐蝕疲勞的產(chǎn)物為磚紅色氧化鐵； 

(3)點(diǎn)狀和坑狀腐蝕區(qū)的金屬組織不發(fā)生變化； 

(4)腐蝕坑沿管軸方向發(fā)展，裂紋是橫斷面開裂，相對(duì)寬而鈍，裂縫處有氧化皮。 

5.防止措施 

防止氧腐蝕應(yīng)注意停爐保護(hù);新爐起用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗，去除鐵銹和臟物，在內(nèi)壁形成一層均勻的保護(hù)膜；運(yùn)行中使水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)減小PH值或增加鍋爐中氯化物和硫酸鹽的含量。 

五、應(yīng)力腐蝕裂紋 

1.失效機(jī)理 

這是指在介質(zhì)含氯離子和高溫條件下，由于靜態(tài)拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用產(chǎn)生的管子破裂現(xiàn)象。 

2.產(chǎn)生失效的原因 

(1)介質(zhì)中含氯離子、高溫環(huán)境和受高拉應(yīng)力，這是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的三個(gè)基本條件； 

(2)在濕空氣的作用下，也會(huì)造成應(yīng)力腐蝕裂紋； 

(3)啟動(dòng)和停爐時(shí)，可能有含氯和氧的水團(tuán)進(jìn)入鋼管； 

(4)加工和焊接引起的殘余應(yīng)力引起的熱應(yīng)力。 

3.故障位置 

常發(fā)生在過熱器的高溫區(qū)管和取樣管。 

4.爆口特征 

(1)爆口為脆性形貌，一般為穿晶應(yīng)力腐蝕斷口； 

(2)爆口上可能會(huì)有腐蝕介質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物； 

(3)裂紋具有樹枝狀的分叉特點(diǎn)，裂紋從蝕處產(chǎn)生，裂源較多。 

5.防止措施 

防止應(yīng)力腐蝕裂紋應(yīng)注意去除管子的殘余應(yīng)力；加強(qiáng)安裝期的保護(hù)，注意停爐時(shí)的防腐；防止凝汽器泄漏，降低蒸汽中的氯離子和氧的含量。 

六、熱疲勞 

1.失效機(jī)理 

熱疲勞是指爐管因鍋爐啟停引起的熱應(yīng)力、汽膜的反復(fù)出現(xiàn)和消失引起的熱應(yīng)力和由振動(dòng)引起的交變應(yīng)力作用而發(fā)生的疲勞損壞。 

2.產(chǎn)生失效的原因 

(1)煙氣中的S、Na、V、Cl等物質(zhì)促進(jìn)腐蝕疲勞損壞； 

(2)爐膛使用水吹灰，管壁溫度急劇變化，產(chǎn)生熱沖擊； 

(3)超溫導(dǎo)致管材的疲勞強(qiáng)度嚴(yán)重下降； 

(4)按基本負(fù)荷設(shè)計(jì)的機(jī)組改變?yōu)檎{(diào)峰運(yùn)行。 

3.故障位置 

常發(fā)生在過熱器高熱流區(qū)域的管子外表面。 

4.防止措施 

防止熱疲勞產(chǎn)生的措施有改變交變應(yīng)力集中區(qū)域的部件結(jié)構(gòu)；改變運(yùn)行參數(shù)以減少壓力和溫度梯度的變化幅度；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮間歇運(yùn)行造成的熱脹冷縮；避免運(yùn)行時(shí)機(jī)械振動(dòng)；調(diào)整管屏間的流量分配，減少熱偏差和相鄰管壁的溫度；適當(dāng)提高吹灰介質(zhì)的溫度，降低熱沖擊。

七、高溫腐蝕

1.失效機(jī)理

Na2S04等低熔點(diǎn)化合物破壞管子外表面的氧化保護(hù)層，與金屬部件相互作用，在界面上生成新的松散結(jié)構(gòu)的氧化物，使管壁減薄，導(dǎo)致爆管。 

2.產(chǎn)生失效的原因

(1)燃料中含有V、Na和S等低熔點(diǎn)化合物； 

(2)局部煙溫過高，腐蝕性的低熔點(diǎn)化合物粘附在金屬表面，導(dǎo)致高溫腐蝕； 

(3)腐蝕區(qū)內(nèi)的覆蓋物、煙氣中的還原性氣體和煙氣的直接沖刷，將促進(jìn)高溫腐蝕的產(chǎn)生。 

3.故障位置 

高溫腐蝕常發(fā)生在過熱器及吊掛和定位零件的向火側(cè)外表面。 

4爆口特征 

(l)裂紋萌生于管子外壁，斷口為脆性厚唇式； 

(2)沿縱向開裂，在相當(dāng)于時(shí)鐘面10點(diǎn)和2點(diǎn)處有淺溝槽腐蝕坑，呈鼠啃狀； 

(3)外壁有明顯減薄，但不均勻，無明顯脹粗； 

(4)外壁有氧化垢，呈鱷魚皮花樣，垢中含黃色、白色、褐色產(chǎn)物，垢較疏松，為熔融狀沉積物，最內(nèi)層氧化物為硬而脆的黑灰色。 

5.防止措施 

防止高溫腐蝕的方法有控制局部煙溫，防止低熔點(diǎn)腐蝕性化合物貼附在金屬表面上；使煙氣流程合理，盡量減少熱偏差；在燃煤鍋爐中加入CaSO4和MgSO4等附加劑；易發(fā)生高溫腐蝕的區(qū)域采用表面防護(hù)層或設(shè)置擋板;除去管子表面的附著物。 

八、異種金屬焊接 

1.失效機(jī)理及原因 

焊接接頭處因兩種金屬的蠕變強(qiáng)度不匹配，以及焊縫界面附近的碳近移，使異種金屬焊接界面斷裂失效。其中，兩種金屬的蠕變強(qiáng)度相差極大是異種金屬焊接早期失效的主要原因。 

2.故障位置 

常發(fā)生在過熱器出口兩種金屬的焊接接頭處，當(dāng)焊縫的蠕變強(qiáng)度相當(dāng)于其中一種金屬的蠕變強(qiáng)度時(shí)，斷裂發(fā)生在另一種金屬的焊縫界面上。 

3.防止措施 

穩(wěn)定運(yùn)行是減少異種金屬焊接失效最關(guān)鍵的因素；當(dāng)兩種金屬焊接時(shí)，在其中加入具有中間蠕變強(qiáng)度的過渡段，使焊縫界面兩側(cè)蠕變強(qiáng)度差值明顯減少；在過渡段的兩側(cè)選用性質(zhì)不同的焊條，使其分別與兩種金屬的性質(zhì)相匹配。 

九、質(zhì)量控制失誤 

質(zhì)量控制失誤是指在制造、安裝、運(yùn)行中由于外界失誤的因素所造成的損壞。質(zhì)量控制失誤的原因有：維修損傷；化學(xué)清理?yè)p傷；管材缺陷(管材金屬不合格或錯(cuò)用管材)；焊接缺陷等。加強(qiáng)電廠運(yùn)行、檢修及各種制度的管理是防止質(zhì)量控制失誤出現(xiàn)的有效手段。