锅炉受热面管失效分析

锅炉受热面管失效分析

　锅炉受热面管失效分析□申军辉郭正民内容锅炉运行事故中，锅炉受热面管失效泄漏占有相当比例，常常造成停炉事故，事故抢修难度大，由于事故部位不同而抢修时间不同，给锅炉安全、经济运行造成障碍。锅炉受热面管失效泄漏，已成为影响机组可靠性的主要因素。

　　如何减少受热面管的泄漏，已成为提高机组可靠性的关键。为此，本文对河北兴泰发电有限责任公司历年锅炉受热面管失效泄漏进行统计分析，找出造成锅炉受热面管失效的型式，以及其失效机理，以便制定措施，消除造成失效的不利因素，提高锅炉受热面管子的可靠水平，保障机组安全稳定运行，保障电网安全稳定运行。

　　~），男，河北石家庄人；石家庄高新区华昊工程技术服务有限公司助理工程师；研究方向：焊接技术郭正民，河北兴泰发电有限责任公司近十多年来，我国电力工业迅猛发展，高参数、大容量机组的大型火力发电厂一座座拨地而起，以满足国民经济和社会发展对电力的需求。为适应蒸汽参数的提高和蒸发量日益增大，锅炉水循环和燃烧方式也随之有所改变。参数的提高、容量的加大，水循环的增加以及燃烧的加速而导致锅炉受热面的热负荷不断加大，加上参与调峰、加减负荷频繁且升降幅度较大、运行控制调整失当，锅炉水化学处理不善等因素，不可避免地会使锅炉受热面出现蠕变、过热、疲劳、磨损、腐蚀等异常现象，日积月累最终导致受热面损坏而发生事故。一旦发生事故，将给国民经济造成巨大损失，给人民生活带来极大的不便。锅炉受热面在运行中一侧是燃料燃烧所产生的高温烟气，一侧是高温高压的水和蒸汽，材料的使用环境相当恶劣，因而材料失效所引起的事故时有发生。

　　本文仅以河北兴泰发电有限责任公司HG670/140-9、DG670/13.7-8、BWB-1025/17.5-M型锅炉为基础，对历年锅炉受热面管失效泄漏进行统计分析，通过研究部件失效的特征、过程、形式等，查明部件破坏的直接原因，找出造成锅炉受热面管失效的型式及其失效机理，提出预防事故的措施和对策，消除造成失效的不利因素，提高锅炉受热面管子的可靠水平，保障机组安全稳定运行，保障电网安全稳定运行。同时失效分析还可以查明责任主体，为企业提高技术管理水平提供依据。

　　二、受热面管失效因素河北兴泰发电有限责任公司2006年至2008年受热面管共泄漏41次，其中长时过热爆管12次；短时过热爆管2次；磨损11次（机械磨损3次、飞灰磨损8次）；腐蚀失效3次；焊接缺陷、材质缺陷爆管4次；热疲劳1次；位移、膨胀受阻高拘束应力等其它原因爆管8次。究其受热面失效因素，主要有四个方面：一是磨损、腐蚀、蠕胀、疲劳、过热等失效都将影响受热面的使用寿命，引起“四管”爆破泄漏等事故，迫使停炉抢修，甚至降低整个锅炉的使用寿命。二是粘污、结渣、结垢会降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面沉积后，由于其导热系数很低，热阻很大，一般粘污数小时后水冷壁的传热能力会降低30%-60%，使得炉内火焰中心上移，炉膛出温度相应提高。三是由于炉膛出口温度提高，使得飞灰易粘结在对流和屏式过热器上，引起过热器的粘结和腐蚀。四是积灰会使省煤器和空气预热器堵塞、传热恶化、从而导致排烟温度升高，降低锅炉运行经济性。五是由于烟气侧总阻力增大，使锅炉无法维持在满负荷下运行，只好增加投煤量，引起炉膛出口烟气温度进一步提高，使灰渣更容易粘在受热面上，这种恶性循环将导致发生一系列的锅炉事故。

　　（一）长时超温爆管。锅炉受热面管子在运行过程中，因某些原因使管壁温度超过设计温度，在高温长时间作用下，导致钢材组织结构的变化，蠕变速度加快，持久强度下降，使用寿命达不到设计要求而提早爆破损坏，称为超温爆管，也有叫做长期过热爆管或一般性蠕变损坏。长时超温爆管由于管壁温度还没有达到AC1临界温度，爆管时虽然有介质的激冷作用，还不会发生相变。长时超温爆管一般发生在高温过热器出口段的外圈向火侧。据近几年来对过热器管子爆破事故的分析，有70%是由于长时超温而引起的。长时超温爆管的破口呈粗糙性断口，管壁减薄不多，管子胀粗也不很显著，爆破口附近往往有较厚的氧化铁层。长时超温爆管的显微组织无相变，但却有碳化物球化、碳化物析出并聚集长大甚至有些还会出现石墨化等组织变化。

　　（二）短时超温爆管。锅炉受热面管子在运行过程中，由于冷却条件的恶化。使管壁温度在短时间内突然上升，达到钢AC1临界点以上温度。在这样高的温度下钢的抗拉强度急剧下降，在介质压力作用下，温度最高的向火侧首先产生塑性变形，管径胀粗，管壁减薄，随后发生剪切断裂而爆破。

　　爆破时，由于介质对炽热管壁产生激冷作用，在爆破口往往有相变的组织结构，这种爆管就称为短时超温爆管，也叫做短时过热爆管或加速蠕变爆管。短时超温爆管大多数发生在水冷壁管、凝渣管上，特别是水冷壁管热负荷最高的地方，如燃烧带附近的向火侧。短时超温爆破口一般胀粗较为明显，管壁减薄很多，爆破口呈尖锐的喇叭形，其边缘很锋利，具有韧性断裂的特征。爆破口附近有时有氧化铁层，有时没有。

　　爆破口的这些特征是与超温爆管时产生了较大的塑性变形，使管璧减薄，因而承受不了介质的压力而引起剪切断裂有密切关系。短时超温爆管的过程类似作高温短时拉伸试验，在应力的作用下，现引起塑性变形后在局部地区出现收缩现象，最后形成剪切裂纹而产生韧性断裂。

　　（三）材质不良、焊接质量不佳引起的爆管。

　　材质不良。材质不良爆管是指使用有缺陷的钢材或错用钢材造成锅炉受热面管提早损坏。锅炉受热面管大都处在高温应力的条件下，即是在产生蠕变的条件下运行，对所用钢材性能要求是由运行条件和加工工艺要求决定的，各种钢材的要求都比较具体，但是生产和运行实践证明，国内外生产的钢材都可能存在某种缺陷。白点、发纹、裂缝、折叠、分层、结疤、气泡及夹杂等缺陷均能严重影响钢材的机械性能与热加工成形性能。因此在生产钢材过程中，必须按钢材用途的不同，对上述各类缺陷加以控制。锅炉受热面使用了带缺陷的管材就可能在运行过程中爆管失效。使用了大于壁厚负偏差的折叠、结疤、离层、发纹和大于壁厚5%的横向发裂以及严重夹杂、脱碳的管子称为使用有缺陷的钢材。错用钢材往往是指把性能比较低的钢材用到高参数的工况下，实际上是一种超温运行。一旦发生爆管事故，是属于长时超温爆管，其爆破口的宏观特征和微观组织的变化基本上与长时超温爆管相同。爆管后对该管子进行化学成分分析就很容易件查处事故的原因。在制造、安装和检修时，未经计算就选用了低一级的钢管，即认为是错用钢材。管理不善也往往会错用钢材。

　　焊接缺陷。锅炉受热面管之间的连接采用熔化焊接形成永久接头的方法使其结合，一般采用钨极氩弧焊或氩弧打底加电焊盖面的工艺方法。焊接缺陷是因为没有严格执行焊接工艺或焊接工艺不成熟以及热处理工艺不当，造成焊缝存在气孔、夹杂、夹渣、未熔合，未焊缝，裂纹，表面咬边等焊接缺陷，及热处理产生的过烧、再热裂纹，或处理不够，没有很好的消除焊接应力。焊接缺陷的存在降低了有效壁厚，使其承载后产生应力集中；贯穿性缺陷破坏了受热面管的气密性，上水或承压后泄漏。焊接或热处理不规范，产生附加应力，与承载应力叠加造成焊口拉裂爆管。

　　（四）热疲劳裂纹。当金属材料的工作温度或膨胀系数有差别时，各部分膨胀和收缩会相互约束而产生附加温度应力，也称热应力。如果温度发生变化，热应力也将随之变化，同时伴随着弹塑性变形的循环，塑性变形逐渐积累引起损伤，最后导致破裂。金属材料经受多次周期性热应力作用而遭到的破坏称为“热疲劳”破坏。构件的热应力往往与动态和静态的机械应力叠加在一起发生作用。发生热疲劳的管子外表面有大量的裂纹。一种是呈丛状的平行横向裂纹，产生直线型疲劳裂纹是由于管子的轴向刚性较大而横向刚性较小，如全焊式膜式水冷壁管子外表面热疲劳裂纹多为这一类型裂纹；另一种热疲劳裂纹是网状裂纹，产生这种裂纹是由两个方向的热应力或约束造成的，锅炉受热面管子也可能出现这种热裂纹，但一般只会产生于联箱接管部位管子的内壁。热疲劳断口形貌与一般的疲劳断口的特征相似。宏观断口可分为三个区域，即裂源、扩展区和瞬时断裂区。低合金耐热钢的热疲劳断口常被一层氧化物所遮盖，在断口分析之前必须清洗掉断口上的氧化物，清洗后的断口呈现出贝壳状的疲劳断口特征，但是，如果断口上的氧化和腐蚀较严重时，断口清洗后也可能看不到贝纹线。锅炉受热面热管工作的可靠性一方面取决于管壁金属的温度工况。对于在正常壁温下具有足够强度的锅炉钢管，在由于水力学问题或传热恶化问题使管壁温度超过容许值或管壁温度长期波动时，锅炉钢管会因金属强度下降或金属疲劳而破裂。线膨胀系数和弹性模量越大，产生的热应力越大；材料的导热系数越小，在材料中产生的温度梯度越大。这些都将导致材料的抗热疲劳能力降低。

　　（五）磨损。锅炉尾部受热面因飞灰磨损容易发生爆破泄漏。过热器、再热器定位管（卡）松动或不到位，使之相互机械磨擦，可以生金属表面机械磨损爆破泄漏。当燃烧器喷口安装调整未达到设计要求、燃烧器喷口损坏及三次风带粉严重，一、三次风喷口附近的水冷壁管，可能由于风粉气流冲刷水冷壁管引起磨损爆破泄漏。锅炉受热面磨损一般可以分为飞灰磨损和机械磨损两类，尾部受热面以飞灰磨损为主，机械磨损次之。飞灰颗粒对于金属表面的磨损主要是机械作用，即由于飞灰颗粒的冲击作用和切向作用所引起，而中又以切削作用为主。

　　（六）腐蚀。腐蚀爆管由于燃用煤种含硫量高、炉内燃烧工况差，燃烧区域内水冷壁管贴壁处煤粉缺氧，燃烧产生的还原性气体与受热面管子发生化学作用或电化学作用，造成管子减薄特别是焊口处凹陷（称高温腐蚀）而引起爆管泄漏；由于蒸汽含有杂质与受热面管子发生电化学作用，在管子内壁形成凹坑（称内腐蚀），该点管壁减薄，当不能承受蒸汽压力时就发生爆管。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。按腐蚀机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。锅炉受热面腐蚀分汽、水侧腐蚀和烟气侧腐蚀。汽、水侧腐蚀按其机理包括苛性腐蚀、氢损害、氧腐蚀、垢下腐蚀及应力腐蚀。烟气侧腐蚀包括水冷壁向火侧腐蚀、高温煤灰（油灰）腐蚀和低温腐蚀。

　　四、防止锅炉受热面管失效泄漏采取的措施一是全面利用大修、技改工程、单项工程等机会对老化的磨损大的设备进行大面积的更换。二是利用一切停炉机会对锅炉承压部件进行检查，发现缺陷的管子及时进行处理。

　　特别是邀请省锅检站对锅炉进行内部检验，及时处理检验中发现的问题，保证了设备的健康水平。三是完善防磨、防腐措施，采用新技术、新方法来增加设备的使用寿命。四是进行空气动力场试验。严格检查喷燃器安装角度、切圆是否符合实际情况，必要时根据实际空气动力更换原设计倾角、切圆，严防一、三次风气流冲刷水冷壁管。五是运行中加强燃烧调整，组织合理的燃烧工况和恰当的火焰中心，以减少高温腐蚀，减少烟气温度偏差和流量偏差。六是加强化学监督，每次大修严格按照化学的意见割管分析检查内部腐蚀、结垢，并根据化学的监督意见进行换管。