某火力發(fā)電廠鍋爐后屏過熱器爆管原因分析

韓光海

(神華國(guó)能寶清煤電化有限公司，黑龍江 雙鴨山 155100)

0 引 言

某火力發(fā)電廠1號(hào)鍋爐是燃煤發(fā)電鍋爐，型號(hào)為SG-1025/18.55-M725。該鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、四角切向燃燒、固態(tài)排渣、等離子點(diǎn)火、燃燒器擺動(dòng)調(diào)溫、平衡通風(fēng)、自然循環(huán)汽包鍋爐，鍋爐轉(zhuǎn)運(yùn)層以上為半露天布置、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐采用“定-滑-定”的運(yùn)行方式。該機(jī)組于2017年12月正式建成并投產(chǎn)發(fā)電，截止停機(jī)，該機(jī)組共運(yùn)行了41 939.39 h。鍋爐后屏過熱器管壁設(shè)定報(bào)警溫度為553 ℃，后屏過熱器管規(guī)格為Φ54×9 mm，材質(zhì)12Cr1MoV。

1 爆管檢驗(yàn)

將兩處爆管及氧化皮堆積嚴(yán)重的第12屏第9根下部彎頭割取，送某電力科學(xué)院進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，具體檢驗(yàn)內(nèi)容如下。

1.1 宏觀檢查

如圖1所示，1號(hào)爆口和2號(hào)爆口均呈菱形，爆口較大，爆口處管徑明顯大于原始鋼管直徑。1號(hào)爆口長(zhǎng)約182 mm，寬約98 mm；2號(hào)爆口長(zhǎng)約82 mm，寬約53 mm。兩個(gè)爆口邊緣為鈍邊，1號(hào)爆口最薄處厚度為4.32 mm，2號(hào)爆口最薄處厚度為4.53 mm。爆口邊緣均被氧化，爆口周邊沿軸向分布有大量的樹皮狀紋理，內(nèi)外壁均存在較厚的氧化皮。對(duì)未爆管彎頭內(nèi)部氧化皮進(jìn)行稱重與測(cè)量，該鋼管清理出的內(nèi)部氧化皮總重為134 g，抽取了部分氧化皮，采用千分尺進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量發(fā)現(xiàn)，已剝落的氧化皮厚度在0.07～0.21 mm之間。

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)1號(hào)爆管、2號(hào)爆管和未爆管分別選取試樣，進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)爆管及未爆管試樣化學(xué)成分均符合GB 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求[1]，具體數(shù)據(jù)見表1。

圖1 爆口測(cè)量Fig.1 Measurement of burst crack 表1 化學(xué)成分檢測(cè)

Table 1 Chemical composition detection 單位：%

1.3 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)1號(hào)爆管、2號(hào)爆管和未爆管分別選取向火側(cè)及背火側(cè)試樣進(jìn)行屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及縱向延伸率等三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)兩根爆管和未爆管三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合GB 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求[1]。

1.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)兩根爆管的爆管邊緣、爆口裂紋尖端、爆口管背側(cè)以及未爆管向火側(cè)和背火側(cè)分別選取試樣，在顯微鏡下進(jìn)行低倍及高倍觀察。在100倍視場(chǎng)中觀察發(fā)現(xiàn)，兩根爆管爆口邊緣外壁均存在脫碳層，1號(hào)爆管外壁脫碳層最大達(dá)到260.54 μm，2號(hào)爆管外壁脫碳層最大達(dá)到154.52 μm(如圖2所示)，未爆管外壁未發(fā)現(xiàn)有脫碳現(xiàn)象。

表2 力學(xué)性能檢測(cè)Table 2 Mechanical property test

圖2 爆口脫碳層測(cè)量Fig.2 Decarburization layer measurement of explosion

在100倍視場(chǎng)下對(duì)兩個(gè)爆管及未爆管進(jìn)行未剝落氧化皮厚度測(cè)量和觀察，測(cè)量發(fā)現(xiàn)三者內(nèi)壁氧化皮厚度均較大，1號(hào)爆管內(nèi)壁氧化皮厚度最大值達(dá)到271.63 μm，2號(hào)爆管內(nèi)壁氧化皮厚度最大值達(dá)到262.74 μm，而未爆管內(nèi)壁氧化皮厚度最大值達(dá)到302.30 μm，氧化皮主要由與金屬基體緊密貼合的致密層和與管內(nèi)介質(zhì)接觸的疏松層構(gòu)成(如圖3所示)。

圖3 爆口內(nèi)壁氧化皮厚度測(cè)量Fig.3 The thickness measurement of the inner wall oxide scale

在400倍視場(chǎng)下對(duì)兩個(gè)爆管爆口邊緣、裂紋尖端、爆口背部及未爆管的向火側(cè)和背火側(cè)進(jìn)行金相組織觀察，同時(shí)參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金相組織進(jìn)行組織分析與評(píng)定[2-3]。觀察發(fā)現(xiàn)1號(hào)爆管裂紋尖端附近金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化3級(jí)，晶粒度6～7級(jí)，裂紋為沿晶裂紋和穿晶裂紋的混晶裂紋，裂紋內(nèi)部存在黑色氧化物，如圖4(a)所示；1號(hào)爆口邊緣金相組織為鐵素體+碳化物，視場(chǎng)范圍內(nèi)珠光體已全部球化，且視場(chǎng)范圍內(nèi)有大量蠕變空洞存在，如圖4(b)所示；1號(hào)爆管背面?zhèn)饶覆慕鹣嘟M織為鐵素體+珠光體，珠光體球化2～3級(jí)，晶粒度6～7級(jí)，如圖4(c)所示。

觀察發(fā)現(xiàn)2號(hào)爆管裂紋尖端附近金相組織為鐵素體+碳化物+少量珠光體，裂紋為沿晶裂紋和穿晶裂紋的混晶裂紋，裂紋內(nèi)部存在灰色及黑色氧化物，裂紋邊緣金屬基體存在明顯塑性變形，如圖5(a)所示；2號(hào)爆口邊緣金相組織為鐵素體+碳化物，視場(chǎng)范圍內(nèi)珠光體已全部球化，且視場(chǎng)范圍內(nèi)有大量蠕變空洞存在，如圖5(b)所示；1號(hào)爆管背面?zhèn)饶覆慕鹣嘟M織為鐵素體+碳化物+少量珠光體，珠光體球化4～5級(jí)，視場(chǎng)范圍內(nèi)有蠕變空洞存在，晶粒度6～7級(jí)，如圖5(c)所示； 2號(hào)爆管內(nèi)壁母材存在脫碳層，脫碳層最大厚度為217.73 μm，如圖5(d)所示。

圖5 2號(hào)爆口金相組織形貌Fig.5 Metallographic morphology of No.2 explosion

觀察發(fā)現(xiàn)未爆管向火側(cè)金相組織為鐵素體+珠光體+碳化物，珠光體球化3～4級(jí)，晶粒度6級(jí)，珠光體邊界輪廓尚清晰，但珠光體含量較少，珠光體內(nèi)滲碳體逐漸分解形成碳化物并聚集在晶界上，如圖6(a)所示；未爆管背火側(cè)金相組織為鐵素體+ 珠光體+碳化物，如圖6(b)所示。

圖6 未爆管母材金相組織Fig.6 Metallographic structure of base metal without tube burst

2 爆管原因分析

從各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果來看，兩根爆管及未爆管的化學(xué)成分均未見異常，主要力學(xué)性能指標(biāo)也符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但多數(shù)力學(xué)性能指標(biāo)接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限，爆口附近金相組織顯示組織球化非常嚴(yán)重，其余部位金相組織比較正常，三者管內(nèi)壁氧化皮厚度較厚。鉻鉬鋼氧化皮剝落的臨界厚度因管子規(guī)格、運(yùn)行工況和溫度變化幅度而不同，一般在0.2～0.5 mm 之間，在達(dá)到臨界剝落厚度之前，內(nèi)壁氧化皮與金屬基體緊密結(jié)合在一起，不易剝落，當(dāng)內(nèi)壁氧化皮達(dá)到剝落臨界厚度后，由于具有較強(qiáng)韌性的金屬基體12Cr1MoV與脆性較大的氧化皮線膨脹系數(shù)存在較大差異，前者線膨脹系數(shù)約為12.8～14.1，后者中Fe3O4線膨脹系數(shù)約為9.1，F(xiàn)e2O3線膨脹系數(shù)約為14.9，F(xiàn)eO線膨脹系數(shù)約為12.2，兩者在鍋爐升、降溫過程及運(yùn)行時(shí)溫度有波動(dòng)的情況下因膨脹量不同而使外層氧化物產(chǎn)生分離剝落，當(dāng)剝落堆積在受熱面管下部彎頭的氧化皮達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，便會(huì)影響到管內(nèi)介質(zhì)的通流量，最終造成鋼管超溫，甚至發(fā)生爆管[4-5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)某亞臨界鍋爐后屏過熱器爆管系鋼管超溫所致，經(jīng)分析認(rèn)為鋼管前期運(yùn)行過程中存在超溫、爐膛煙溫偏差、運(yùn)行中負(fù)荷存在波動(dòng)以及低負(fù)荷工況運(yùn)行等不利因素，導(dǎo)致受熱面管內(nèi)壁在長(zhǎng)期運(yùn)行中產(chǎn)生較厚的氧化皮，在最近一次點(diǎn)爐和運(yùn)行中，因升溫速度過快及運(yùn)行溫度產(chǎn)生波動(dòng)，造成超過或接近剝落臨界厚度的氧化皮大面積剝落堵塞鋼管，最終造成鋼管超溫爆管。

2)機(jī)組運(yùn)行期間要強(qiáng)化運(yùn)行管理，嚴(yán)禁受熱面超溫運(yùn)行；機(jī)組變工況運(yùn)行下應(yīng)有可靠的防止受熱面超溫的技術(shù)措施，鍋爐啟、停應(yīng)嚴(yán)格按啟停曲線進(jìn)行；應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)禁使用不合格爐水，防止受熱面管內(nèi)氧化皮形成。