鍋爐末級(jí)過(guò)熱器爆管原因分析與對(duì)策

 引言
國(guó)內(nèi)近來(lái)已有容量為1000MW的燃煤機(jī)組投產(chǎn)，所配鍋爐也趨于大型化。但是一些大型鍋爐運(yùn)行中存在著一些問(wèn)題，有些甚至限制了機(jī)組的出力。針對(duì)這些實(shí)際的工程問(wèn)題，相關(guān)專家做了大量細(xì)致的研究工作，并取得了實(shí)效。#3機(jī)組鍋爐從投產(chǎn)到2008年，末級(jí)過(guò)熱器先后發(fā)生4次爆管，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其具有以下特點(diǎn)：①每次爆管均發(fā)生在管排出口段；②爆口位置材質(zhì)為鋼102；③爆管部分外表面存在明顯裂紋。
1 鍋爐介紹
元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司#3機(jī)組鍋爐由哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)，為亞臨界一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐，型號(hào)為HG—2008/18.2—HM3。鍋爐為單爐膛，四角布置的擺動(dòng)燃燒器形成切向燃燒。設(shè)計(jì)煤種為褐煤，固態(tài)排渣。
再熱器由三部分組成，分別為輻射再熱器、后屏再熱器和末級(jí)再熱器。末級(jí)再熱器底部距斜坡墻27m，用以必要時(shí)增加受熱面來(lái)調(diào)節(jié)再熱汽溫。
2 末級(jí)過(guò)熱器爆管材質(zhì)分析
之所以選鋼102管做鍋爐受熱面是因?yàn)槠溟L(zhǎng)期運(yùn)行組織和性能變化不大。根據(jù)末級(jí)過(guò)熱器的爆管特點(diǎn)，對(duì)爆管處的鋼102管材進(jìn)行化驗(yàn)分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，各化學(xué)成分含量均符合GB53lO-95和ASMESA213標(biāo)準(zhǔn)的要求，說(shuō)明爆管不是因?yàn)殇?02中的化學(xué)成分造成的。
3 爆口檢查分析
3.1 爆口宏觀檢查 以2004年11月05日末級(jí)過(guò)熱器漏泄部位爆口為例：漏泄部位檢查情況，末級(jí)過(guò)熱器東數(shù)第15排北數(shù)第5根管為原始漏泄管，裂紋長(zhǎng)約20mm，將裂紋管取下解剖后在管內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)存在原始重皮缺陷，長(zhǎng)度為110mm，從斷口的紋路來(lái)看，裂紋起源于管材內(nèi)壁，裂紋沿重皮處延伸擴(kuò)展至管外表面。（見(jiàn)圖1、2）
3.2 爆口金相分析檢測(cè) 對(duì)鍋爐過(guò)熱器管取樣進(jìn)行金相分析，鋼102末級(jí)過(guò)熱器管運(yùn)行近10萬(wàn)小時(shí)的金相分析如圖3所示。由圖3可知，晶界和晶粒內(nèi)析出很多的碳化物顆粒板，條邊界已遠(yuǎn)不如供貨狀態(tài)平直，并且大部分都已聚集長(zhǎng)大。部分碳化物在晶界上呈鏈狀排列，晶粒內(nèi)仍有片狀組織存在。根據(jù)DL/T884.2004非珠光體組織老化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，組織老化評(píng)級(jí)為3～4級(jí)，說(shuō)明運(yùn)行期間存在超溫，加速了過(guò)熱器管的老化，生成的氧化皮厚度在0.5mm以上，如圖4所示。
3.3 掃描電鏡分析 從圖5對(duì)比可以看出，脫落的氧化皮和從管壁上取下的氧化皮的結(jié)構(gòu)是不一樣的，但通過(guò)對(duì)兩者進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)兩者的成分是一致的，柱狀區(qū)域由Fe和O元素構(gòu)成，為鐵的氧化物；細(xì)顆粒區(qū)域由Fe、Cr和O元素構(gòu)成，為具有尖晶石結(jié)構(gòu)的化合物。氧化皮厚度和材料特性、運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行溫度有密切的關(guān)系。運(yùn)行時(shí)間和氧化皮的厚度基本呈線性關(guān)系。溫度對(duì)氧化皮厚度的影響呈加速上升的趨勢(shì)。在溫度變化時(shí)，金屬材料和氧化層都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變，氧化層本身以及母材間的膨脹系數(shù)不同，隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)，氧化層和管壁間的應(yīng)力和能量也隨之增加。當(dāng)氧化皮應(yīng)變所積蓄的能量大于該氧化皮脫層而產(chǎn)生新的內(nèi)表面所需的能量時(shí)，就會(huì)發(fā)生剝落。
4 管排結(jié)構(gòu)分析
末級(jí)過(guò)熱器出口段的材質(zhì)為鋼102，在20℃～550℃范圍內(nèi)鋼102的線膨脹系數(shù)為14×10-6m/℃，第15排北數(shù)第5根長(zhǎng)度約16米，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，其壁溫都按進(jìn)出口的平均溫度540℃計(jì)算，則第5根的膨脹量為：L7=540×14×10-6×16×103≈12.4mm。由于末級(jí)過(guò)熱器出口管排為單一材質(zhì)，不存在不同金屬之間膨脹不暢的問(wèn)題，且由于末級(jí)過(guò)熱器出口側(cè)下部彎頭與下部延伸包墻之間有300mm左右的距離，保證了正常運(yùn)行時(shí)管排豎直方向的自由膨脹。
5 爆管原因分析
①鋼102的化學(xué)成份均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不是造成爆管的原因。②安裝尺寸符合管材的膨脹要求，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)不會(huì)對(duì)管子造成膨脹不暢而產(chǎn)生應(yīng)力。③由于鋼102管材運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，管子球化嚴(yán)重，而且高溫過(guò)熱器存在超溫情況，造成管材組織老化、抗高溫氧化能力下降，在機(jī)組起停、負(fù)荷波動(dòng)、運(yùn)行工況變化的交變應(yīng)力作用下，在重皮和夾層的應(yīng)力集中處局部強(qiáng)度不足而產(chǎn)生裂紋，裂紋繼而擴(kuò)展至外表面而發(fā)生漏泄。由以上分析可知，管材球化是造成爆管的首要原因，機(jī)組啟停次數(shù)較多、負(fù)荷波動(dòng)頻繁及工況變化進(jìn)一步加速了裂紋的發(fā)展，最終導(dǎo)致爆管。
6 改造方案及效果
由于目前末級(jí)過(guò)熱器管屏存在原始重皮缺陷，而檢驗(yàn)方法又不能全部檢出，需要對(duì)末級(jí)過(guò)熱器管子進(jìn)行升級(jí)改造，具體措施如下所示：由于T91具有良好的抗氧化性能、抗高溫蒸汽腐蝕性能、沖擊韌性和高而穩(wěn)定的持久塑性及熱強(qiáng)性能，能夠滿足末級(jí)過(guò)熱器的運(yùn)行要求，因此將末級(jí)過(guò)熱器管排出口段材質(zhì)由12Cr2MoWVTiB改為T91。通過(guò)更換末級(jí)過(guò)熱器管材，基本消除了過(guò)熱器爆管事故的發(fā)生。
7 結(jié)論
通過(guò)對(duì)末級(jí)過(guò)熱器爆管原因的分析，找出了末級(jí)過(guò)熱器爆管的主要原因，并在機(jī)組檢修中對(duì)末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)行了改造升級(jí)，#3機(jī)組末級(jí)過(guò)熱器出口段改造后至今未發(fā)生漏泄，從而驗(yàn)證了原因分析及結(jié)論的正確性。所以，要不斷摸索出一些有效的措施和方法，使鍋爐受熱面改造質(zhì)量得到全面的提高，從而使大型發(fā)電機(jī)組能夠經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行，最終使企業(yè)效益得以實(shí)現(xiàn)。