电站锅炉过热器管失效规律研究

黄 鑫，丁克勤，赵 军

(1.北京化工大学 机电工程学院，北京 100029;2.中国特种设备检测研究院，北京 100013）

0 引言

根据2010年发布的《电力可靠性指标》，火电机组占全国发电量的85.13%，并且随着超临界机组的大量投产，火力发电仍将在很长一段时间内是我国电力的主力军。《电力可靠性指标》同时指出锅炉的非计划停运对整机的可用系数产生了非常大的影响。锅炉“四管”的失效是造成锅炉设备故障的重要原因，其中过热器管的失效尤为突出，占到锅炉“四管”失效的60%以上。

过热器管布置在炉膛上方、水平烟道及竖井烟道中，管内为温度450～650℃的过热蒸汽，外部承受高达1 000℃的烟气，所用的材料主要为合金不锈钢。目前针对过热器管的失效分析的研究，从微观金相组织、断裂力学、损伤力学、焊接工艺等角度都取得了一定的研究成果［1-2］。本研究借鉴相关研究成果［3-4］且结合实例分析，通过建立过热器管失效树，以概括过热器不同失效模式下的损伤机理，并提出预防过热器管失效的建议。

1 高温过热器管的失效模式

设备失效，即认为设备不能正常发挥原有的功能［5］;而失效模式是设备失效的表现形式，指所观察到的失效现象。过热器的功能是将过热饱和蒸汽输送到联箱，从而进入汽轮机做功，失效模式为炉管的开裂泄漏或爆管，即从原理上都是断裂失效。断裂失效按失效时所表现出的形态或失效机理，分为韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂等失效类型。对于过热器管而言，失效模式所对应的失效类型如图1所示。

图1 过热器管的失效模式Fig.1 Failure modes of superheater tube

实际生产中，设备的失效是复杂的，往往是多种失效类型共同作用。因此，失效分析中需要结合现场实际工况，判断失效类型，逐步理清造成过热器管失效的损伤因素，并采取相应措施消除隐患。

2 高温过热器管不同失效的类型原因分析

过热器管的开裂或爆管通常是由各失效类型所包含的损伤因素经过日积月累的作用而引起的。利用失效树可以直观地反映每种失效类型的逻辑结构，确定相应的损伤因素。

2.1 韧性断裂

当金属构件的塑性变形能力被耗尽时所发生的断裂称为韧性断裂。也就是构件的应力已经超过了当时环境所允许的塑性强度。这种断裂是过热器管最常见的失效类型。

例如，2009年1月16日，某热电厂锅炉全大屏乙侧1－2屏之间的夹持管爆，冲刷全大屏第2屏第1根管，吹薄全大屏第2屏第2、4根管，经分析此次夹持管爆漏是由于管子运行中外壁与管卡之间发生摩擦磨损减薄，在内部高温高压的蒸汽作用下引起开裂爆漏。

2010年10月19日，某发电厂锅炉高过乙侧第39屏外数第三圈泄漏，割管分析后发现外层氧化皮最厚厚度为0.9 mm，内层氧化皮最厚厚度为2.1 mm，失效原因为高温氧化造成管壁承压强度降低。

根据韧性断裂发生的条件，从塑性强度及内压应力2个方向考虑。首先，对于塑性强度来说，过热器管的材料为耐热钢，有很好的抗高温性能;但当炉管外壁因吸附煤灰过多而产生结焦使局部换热加强或炉管内因脱落的氧化皮而造成堵塞时，都会造成管壁温度急剧升高。当温度超过材料的极限时，就会造成材料的塑性强度下降，进而发生韧性断裂。其次，对于内压应力来说，设计时管壁厚度余量足够大，因超载而发生失效的案例很少。但当管外壁受到烟灰的飞灰磨损、吹灰器的吹灰磨损、临近管排的机械磨损、高温烟气造成的硫酸盐腐蚀及管内壁与高温蒸汽发生的氧化腐蚀后，会造成管壁的逐渐减薄，如果不采取一定措施，终究会造成过热器管的韧性断裂。由此，根据相关资料和研究［3－4］建立的韧性断裂失效树如图2所示。

2.2 蠕变断裂

过热器管高温下长期受载，会产生非常缓慢的蠕变变形，同时在材料内部会出现空洞，衍生成裂纹，从而出现蠕变断裂。通常用外推出的材料持久强度或蠕变极限作为计算过热器管寿命的依据。当管壁因各损伤因素造成长期超温后，过热器管的寿命就会缩短。蠕变断裂的失效树如图3所示。

图2 过热器韧性断裂失效树Fig.2 Fault tree of superheater tube ductile rupture

图3 过热器管蠕变断裂失效树Fig.3 Fault tree of superheater tube creep rupture

2009年8月12日，某热电厂锅炉甲侧全大屏过热器中间向炉前数第6根弯头爆管，冲薄第7、8根弯头。经过检查为管子长期处于超温状态运行，致使管壁长期过热，加速了管壁组织老化并使其产生大量蠕变孔洞计蠕变裂纹，致使管壁的抗拉强度低于标准要求，管壁组织中蠕变裂纹不断延伸扩展，当不能承受运行压力时即发生爆破。

引起过热器管蠕变断裂的原因仍然考虑应力和强度2个方面，应力的损伤因素与韧性断裂的相同。而持久强度的降低，是管壁长期超温运行的后果。这种超温幅度远小于图2中的短时超温，两者断裂的宏观特征［6-7］也有很大区别。管外壁堆积煤灰、结焦、产生氧化皮不仅降低效率，而且造成烟道的堵塞使局部烟气对流换热加强。管内高温氧腐蚀形成吸附在管壁上的氧化皮，阻碍炉管与蒸汽的换热过程。炉内燃烧波动大，风煤比调整不及时。以上因素都会造成管壁温度上升，降低材料的持久强度，加快过热器管的蠕变速率。

2.3 脆性断裂及腐蚀断裂

高温长期运行会引起过热器管钢材的脆化，金相组织发生变化，降低了管材的塑性和韧性，长期以往就会发生变形很小的脆性断裂。针对不同的钢材，脆化的形式也有所不同。碳钢的脆化形式为石墨化，珠光体钢的脆化形式为珠光体球化，奥氏体钢的脆化形式为碳化物和σ相大量析出。这种材料脆化问题与所受载荷无关，只与温度和时间有关，管壁的长期超温就会加剧这种脆性损伤。由于这种损伤并不具有宏观特征，必须借助金相检查才能确定损伤的程度。脆性断裂的失效树如图4所示。

图4 过热器管脆性断裂失效树Fig.4 Fault tree of superheater tube brittle fracture

过热器管由于输送的介质为过热蒸汽，除了高温氧化外，并不会发生强烈的化学腐蚀。但当给水处理失误或运行中造成某种腐蚀性离子浓度增大，就容易引起腐蚀开裂。当对过热器管进行酸洗时，易造成大量H+进入金属，若管材为铁素体类钢，就会引起氢损伤，严重时会发生氢脆。当锅炉的高温高压给水由于水化学处理不良或局部过热浓缩水中，使Cl－浓度过高，由于奥氏体钢对Cl－的敏感性，就为发生应力腐蚀断裂创造了腐蚀环境。腐蚀断裂的失效树如图5所示。

图5 过热器管腐蚀断裂失效树Fig.5 Fault tree of superheater tube corrosion fracture

除此之外，如焊接缺陷［8］、材质夹杂、热处理缺陷、机组启停频繁等因素也会加速过热器管的损伤，最终导致过热器管的爆漏;因此，在实际生产和检修中，利用现有的生产经验和检测手段，尽量消除或减缓上述因素对过热器管的损伤。

3 过热器管失效控制措施研究

过热器管断裂失效的整体失效树共有50个底事件，21个基本事件。每个基本事件都是引起过热器管断裂失效的直接损伤因素。根据基本事件作为底事件出现频率越高其结构重要度越大的准则［9］，对过热器管失效树基本事件的按结构重要度进行排序后得到:首先，中间事件为材料缺陷的2个基本事件的结构重要度最大;其次为中间事件为管壁长期超温的3个基本事件、中间事件为设计不当的3个基本事件、中间事件为高温腐蚀减薄的2个基本事件及使用维护不当，共9个基本事件;最后，其余10个基本事件的结构重要度最小。因此，对结构重要度高的基本事件应采取相应的措施。

1)根据目前国家制订的质量标准、规程及各发电企业所制订的管理和检修细则，严把材料质量关，特别要注意随超临界机组发展而出现的新型不锈钢;要十分重视管件的焊接质量，严格遵守行业标准。

2)运行期间严禁管壁超温，及时对管外壁进行吹灰，保证风煤比及炉膛过量空气系数符合设计要求;对管内壁高温氧化腐蚀要逢停必检，高温氧化已成为超临界机组过热器管超温的重要原因。

3)煤种应符合设计标准，燃烧器要与磨煤机协调配合，避免烟温过高引起硫酸盐腐蚀;给水处理要予以严密监控，做好停炉保护的各项措施。

4)过热器管结构的设计过程中要考虑烟温偏差、管子吸热偏差、蒸汽流量偏差的影响，还应配备有蒸汽旁路、对空排汽或限制烟温措施。

5)日常维护时应避免对管壁造成碰伤及管子相互间的磨损，对危险区域应进行100%无损检测。管子防磨护板、固定装置等附属设施应可靠耐用。

4 结论

1)断裂失效是过热器管最主要的失效形式，而断裂失效有4种不同的失效模式引起，即韧性断裂、蠕变断裂、脆性断裂及腐蚀断裂。韧性断裂的主要失效原因为管壁超温及壁厚减薄;蠕变断裂及脆性断裂的主要失效原因为管子长期超温运行;腐蚀断裂的主要失效原因为水质处理不良、管壁超温运行及停炉保护不当。此外，人为造成的设计失误、材料缺陷及使用维护不当等因素也在引起过热器管失效的4种模式中。

2)为避免过热器管出现断裂失效，要从设计、制造、安装、运行、检修、检验、监控各环节把好质量关。设计过程中要考虑热偏差因素，制造安装过程中要保证材质及焊接质量，运行过程中避免出现超温情况，检修过程中要采取正确的停炉保护措施，在高风险区域要加强无损检测和在线监控的力度。

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