锅炉受热面爆管原因分析及防范措施

田占军，宋立斌

（华能国际电力股份有限公司上安电厂，石家庄 050310）

1 概述

锅炉“四管爆破”一直是影响机组非计划停运的重要因素，给发电企业造成很大的经济损失。因此，在生产工作中，应及时找出受热面管爆破原因，提出相应预防措施，使运行方式优化、合理。在检修方面加强监督检查，改进检修工艺及设备改造等措施，最大限度减少爆管次数，对机组安全、经济运行有着极其重要的意义。

华能国际电力股份有限公司上安电厂5号锅炉为超临界、变压、直流、本生型锅炉，锅炉型号DG2090/25.4－Ⅱ7型，单炉膛、一次中间再热、尾部双烟道、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、平衡通风、露天布置，采用内置式启动分离器。其额定蒸发量为2 090t/h，高温过热器出口压力25.4MPa，高温过热器出口温度为571℃。2008年6月1日投运至今，累计运行时间约为28 000h。该机组在2013年发生锅炉高温过热器爆管，导致机组停运，影响了机组的安全、经济运行。

2 爆管原因分析

泄漏位置位于高温过热器管入口段右数第17屏后数第8根，造成周边管屏变形或吹损。初始爆口位置示意见图1。距离顶棚2m，爆口所在管段材质为SA213－TP347H。在顶棚上部有两道异种钢焊口，焊口下部材质为SA213－TP347H，上部材质为SA213－T91。

图1 初始爆口位置示意

2.1 外观检测

管子在爆破处完全断开，呈撕裂状，管子严重扭曲变形，外表面有撞击痕迹。爆口边缘多数位置为撕裂断口，断口边缘减薄不明显，有部分断口在爆破过程中飞出，爆开断口不完整，本是直管的管段已严重弯曲，爆口内外表面光滑，无明显氧化皮。除爆口位置外，管径没有明显胀粗，在爆口中间位置的边缘，内外壁有少量树皮纹，最长约为70mm见图2、图3。分析认为爆口有过热特征，过热较严重的向火侧在爆破过程已飞出。

图2 爆口宏观形貌

图3 爆口边缘撕裂断口

2.2 现场检查

对高温过热器入口、出口屏1 400个弯头全部进行了氧化皮堆积测量，没有发现明显的氧化物堆积。对高温过热器入口、出口联箱两侧及中间部位进行内窥镜检查，发现高温过热器入口联箱中间部分（泄漏管所在管屏附近）至少4处有异物，其中，2处疑似钢板，尺寸大于4倍管孔以上，另2处为薄片异物，位于管孔处。

2.3 试验分析

对该高温过热器爆管（右数第17屏后数第8根入口段）进行化学成分分析、金相组织分析、力学性能检验，取样示意见图4。

图4 取样位置示意

另外对有可能被堵塞的右数第17、18、19屏相同位置管子进行割管检查。

2.3.1 化学成分分析

对爆破管子进行化学成分分析，分析结果表明试样符合标准［1］对TP347H的要求，具体分析结果见表1。

表1 试样的化学成分分析结果 %

2.3.2 金相组织分析

从金相组织看，爆管所在管段金相组织均为奥氏体，孪晶晶界清晰可见，第2相在晶内、晶界弥散分布，晶界析出第2相数量较多，尺寸较大，离爆口越近晶界第2相析出越多；爆口中心（JX1）树皮裂纹尖端圆钝，但沿晶扩展见图5；爆口边缘（JX2）撕裂纹沿晶扩展见图6；该管段内壁残余氧化皮约为0.05mm。

图5 JX1金相组织

图6 JX2金相组织

爆口下部，距爆口下边缘250mm（JX3）金相组织为奥氏体，孪晶晶界清晰可见，第2相在晶内、晶界弥散分布，见图7，内壁残余氧化皮厚度0.056 mm。另外右数第17、18、19屏相同位置割管金相组织轻中度老化，孪晶晶界减少、隐约可见，第2相在晶界析出，聚集，但第2相的尺寸与爆口边缘比较，爆口边缘析出的第2相尺寸明显增大。

图7 JX3金相组织

对爆口边缘（JX2）金相试样进行扫描电镜分析，通过观察，金相照片晶界上的黑点在扫描电镜照片上显示的是析出物脱落后留下的空洞，部分位置析出物仍存在，主要是含铌（Nb）的析出相，该析出相不含铁（Fe）、铬（Cr）。

2.3.3 力学性能检验

对管材进行拉伸试验，爆口边缘向火侧抗拉强度和断后伸长率有所下降。

2.4 检测结果分析

a.爆口边缘粗钝，有纵向树皮纹，管子无明显胀粗和减薄，具有长时过热特征。

b.高温过热器入口联箱内发现的异物正好在爆管所在管子的入口处，认为管子被异物堵塞，造成工质流量减少，导致管子壁温升高，组织性能劣化，在高温过热器入口段，烟温较高区域发生爆管。

c.爆管边缘的金相组织析出大量含铌的析出物，离爆口越近，晶界第2相析出越多，尺寸越大，在纵向树皮纹附近的析出物最多，在部分三角晶界处也有粗大的第2相，第2相的析出阻碍了晶内与晶界的变形，使材料的塑性和韧性较原始状态有所降低，这与爆口边缘抗拉强度和断后伸长率的下降是对应的。

d.入口联箱中的异物是运动的，且尺寸较大，很有可能曾经堵塞附近管子，在对附近管子进行割管检查发现，部分管子的金相组织奥氏体孪晶晶界减少，隐约可见，但尺寸较爆管边缘的小，强度和韧性变化不明显。

e.奥氏体不锈钢在超温情况下，组织会加速老化，主要特征有形态的变化，即滑移线、孪晶、位错等变化；第2相析出数量的增多，颗粒粗化等变化。从试验结果看，第2相的析出数量、分布位置和颗粒大小、对不锈钢的性能影响更为明显。爆口附近的金相组织虽然孪晶晶界清晰可见，但在晶界及三角晶界上析出的含铌的第2相粒子，尺寸较大，对性能劣化更为明显；而附近可能存在堵塞的管子虽然孪晶晶界减少甚至消失，但第2相粒子尺寸偏小，性能下降不明显。

分析认为，锅炉高温过热器发生爆管的原因是由于入口联箱存在异物堵塞，造成工质流量减少，壁温升高，管子长期在超温条件下运行，导致在奥氏体晶界上析出粗化的含铌第2相粒子，导致其组织劣化，性能下降，在烟温较高区域内发生爆管。

3 防范措施

a.对管子进行割管理化分析，包括其他位置T91和炉膛内TP347H管段，检查是否存在组织性能劣化现象，必要时进行更换。

b.对相邻管子进行割管理化分析，对比组织性能，以判断是否存在普遍劣化现象。

c.优化燃烧调整，合理配风，防止出现风速过高，热负荷过分集中，火焰偏斜、烟温偏差大等问题，导致磨损增加、结焦、高温腐蚀和锅炉受热面超温等事件的发生，并抓好运行中汽水品质的监督。

d.严格执行检修工艺要求，提高检修质量，防止异物落入管内，确保不留事故隐患。

e.利用大、小修对管子进行全面防磨、防爆检查，观察管壁颜色变化、磨损和胀粗等情况，对过热器管子进行管径测量，明显胀粗的管子要及时调换，必要时还应指定几根管子作为监督段，定期割取试样，进行机械性能和金相组织检查。

4 结束语

锅炉受热面管发生泄漏问题后，进行深入的分析研究，对锅炉受热面管壁进行了彻底检修排查，并结合现场实际采取了相应的预防措施，经过一段时间治理，在机组备用期间对锅炉受热面管进行检查，情况良好，取得了显著的效果，大大提高了锅炉的安全可靠性。

［1］ ASME SA－213/SA－213M－2010，锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子［S］.中文版.