2 過熱器爆管的根本原因及對策

二十世紀八十年代初，美國電力研究院經(jīng)過長期大量研究，把鍋爐爆管機理分成六大類，共22種。在22種鍋爐爆管機理中，有7種受到循環(huán)化學(xué)劑的影響，12種受到動力裝置維護行為的影響。我國學(xué)者結(jié)合我國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理。

2.1長期過熱

1.失效機理

長期過熱是指管壁溫度長期處于設(shè)計溫度以上而低于材料的下臨界溫度，超溫幅度不大但時間較長，鍋爐管子發(fā)生碳化物球化，管壁氧化減薄，持久強度下降，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)計使用壽命。超溫程度越高，壽命越短。在正常狀態(tài)下，長期超溫爆管主要發(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)生長期超溫爆管。長時超溫爆管根據(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)局部熱負荷偏高；
(3)管子內(nèi)部結(jié)垢；
(4)異物堵塞管子；
(5)錯用材料；
(6)最初設(shè)計不合理。

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號鋼高壓鍋爐低溫過熱器管破裂，最大脹粗值達管徑的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)外壁氧化皮比短時超溫爆管厚，超溫程度越低，時間越長，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，分布范圍可達整個向火側(cè)。內(nèi)外壁氧化皮比短時超溫爆管時的氧化皮厚；
c.縱向應(yīng)力氧化裂紋從外壁向內(nèi)壁擴展，裂紋尖端可能有少量空洞；
d.向火側(cè)和背火側(cè)均發(fā)生嚴重球化現(xiàn)象，并且管材的強度和硬度下降；
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1.0～1.5mm的氧化皮；
b.管壁嚴重減薄，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)組織球化嚴重，并且強度和硬度下降；
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，促進外壁氧化。

5.防止措施

對高溫蠕變型可通過改進受熱面、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；進行化學(xué)清洗，去除異物、沉積物等方法預(yù)防。對應(yīng)力氧化裂紋型因管子壽命已接近設(shè)計壽命，可將損壞的管子予以更換。對氧化減薄型應(yīng)完善過熱器的保護措施。

2.2短期過熱

1.失效機理

短期過熱是指當管壁溫度超過材料的下臨界溫度時，材料強度明顯下降，在內(nèi)壓力作用下，發(fā)生脹粗和爆管現(xiàn)象。

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)局部熱負荷過高(或燃燒中心偏離)，使附近管壁溫度超過設(shè)計的允許值；
(3)過熱器管子內(nèi)部嚴重結(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)錯用鋼材。錯用低級鋼材也會造成短期過熱，隨著溫度升高，低級鋼材的許用應(yīng)力迅速降低，強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)在低負荷運行時，投入減溫水不當，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，取決于短時超溫爆管前長時超溫的程度，長時超溫程度越嚴重，氧化皮越厚。