SZS型燃气锅炉过热器管变形原因分析

刘课秀，卢忠铭，王恋

（广州特种承压设备检测研究院，广东广州510663）

SZS型燃气锅炉过热器管变形原因分析

刘课秀，卢忠铭，王恋

（广州特种承压设备检测研究院，广东广州510663）

某单位SZS15-1.8/250-YQ型号燃气蒸汽锅炉在内部检验时发现锅炉右数第一至六组过热器管变形，最大变形量约160 mm.经分析，该锅炉存在启停炉频繁、过热器管在快速启动过程中出现过热现象，锅炉热负荷波动大，过热器管局部受热不均、未受管夹的有效固定，导致过热器管出现材料过热并在热应力的作用下发生变形。
关键词：SZS型锅炉；过热器管；变形；原因分析
中图分类号：X933.2文献标志码：A文章编号：1672-545X（2017）05-0224-04

过热器是锅炉中将一定压力下的饱和水蒸气加热成相应压力下的过热水蒸汽的受热面[1]。过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，同时由于其结构的特殊性，在使用过程容易发生金属壁温过热和变形。针对某燃气蒸汽锅炉过热器炉管变形弯曲量过大问题进行原因分析，并提出预防控制措施，为此类锅炉的安全运行和今后的维护积累经验[2]。

1 基本情况

现场勘查发现，某双锅筒纵向布置水管燃气锅炉，位于锅炉炉膛后端的立式过热器管出现了严重变形，其中锅炉右数第一至六组过热器管（近火焰侧）出现严重变形，最大变形量约160 mm，见图1.部分过热器管夹碳化断裂，见图2.锅炉炉膛结构如图3所示。过热器管材料标准为GB 5310-2008高压锅炉用无缝钢管，牌号为12Cr1MoVG，使用温度可达580℃，此类钢管具有较高的耐高温持久强度。

图1 失效锅炉及变形过热器管

图2 烧毁管夹

图3 锅炉炉膛结构示意图（集箱位于上锅筒上方）

2 检验分析结果

（1）力学性能试验

截取靠近火焰侧过热器管和烟气尾段过热器管各一段进行整管室温拉伸试验，试验结果见表1.结果显示过热器管的抗拉强度均低于标准要求值，过热器管力学性能出现明显劣化[3]。

表1 过热器管室温拉伸试验结果

（2）金相分析

对靠近火焰侧过热器管和炉膛烟气尾段过热器管分别进行金相分析，靠近火焰侧过热器管的金相组织为珠光体+铁素体，珠光体球化程度为3级，见图4.炉膛烟气尾段过热器管的金相组织为珠光体+铁素体珠光体球化程度为1.5级，见图5.过热器管存在珠光体组织过热球化问题。

图4 近火焰侧过热器管显微组织

图5 近火焰侧过热器管显微组织

对图2b）管夹的断裂处取样进行金相分析，结果显示，管夹严重碳化，其主要组织为金属碳化物和石墨组织，少量残余奥氏体，见图6.

图6 管夹断裂部位显微组织

（3）材质分析

抽取靠近火焰侧过热器管和烟气尾段过热器管（12Cr1MoVG/GB 5310）和管夹进行化学成分分析，结果显示过热器管材质正常，管夹材料为耐热不锈钢，结果见表2.

表2 材质分析结果（wt.%）

（4）锅炉运行工况分析

由于委托单位锅炉运行记录电脑系统设置为旧记录自动覆盖，已无法查阅2016年以前运行参数情况。查阅委托单位同品牌型号、运行工况类似的1#锅炉2016年的运行参数记录。经查询可见，锅炉运行负荷波动较大，从安装在炉膛后端的温度运行记录显示，该处温度（过热器近火焰侧）长期处于500～820℃之间运行，见图7.

图7 锅炉运行参数图

根据委托单位统计，1#炉2016年启停炉次数为83次，锅炉启停比较频繁。查阅1#炉运行参数记录可见，锅炉启动时间长短不一，从锅炉启动到LPG流量达到约400 m3/h、炉膛后端温度达到700～800℃左右所用的时间约为0.5 h～2 h.在锅炉的启动过程，如果启动速度过快，在过热器管内部没有蒸汽或蒸汽流量过低的情况，过热器管可能超出其允许温度并发生过热及变形。

锅炉炉膛的温度传感器安装在炉膛后端人孔位置上方并紧靠右墙水冷壁，温度传感器探头的伸出长度较小，见图8.由于处在火焰尾部位置过热器可能更靠近火焰温度最高点，所在环境温度高于炉膛运行记录温度。锅炉高负荷运行时，过热器管超出其允许温度并发生过热及产生热应力。

图8 温度传感器安装情况

3 原因分析

（1）从金相分析可知，过热器管存在珠光体组织球化现象，过热器管所受温度已超出其允许壁温范围。锅炉过热器使用的是12Cr1MoVG/GB 5310和20/GB 3087钢管。按TSG G0001-2012《锅炉安全技术监察规程》规定，12Cr1MoVG/GB 5310钢管允许金属壁温不超过580℃，20/GB 3087钢管允许金属壁温不超过460℃.从12Cr1MoVG钢管球化现象可见，过热器管存在超过580℃运行状况，该温度可导致12Cr1MoVG/GB 5310和20/GB 3087钢管出现过热及变形。不锈钢管夹高温碳化情况严重，也证明过热器所在位置存在温度较高现象[4]。

（2）锅炉启停比较频繁。在锅炉启动期间，如果锅炉启动速度过快，在过热器管内部没有蒸汽或蒸汽流量过低的情况下，过热器管内温度无法及时通过介质传导，管壁金属超出其允许温度并发生组织过热球化及变形，从锅炉运行记录可见，存在锅炉启动短时间（0.5 h）内，炉膛尾段环境温度达460℃以上的状况。

锅炉点火到尚未产生蒸汽以前，过热器处于无蒸汽冷却状态，此时锅炉燃烧产生的烟气却在对其加热，所以过热器壁温很快就会升高接近流过的烟气温度，如果火焰偏斜或温度场不均匀，过热器的蛇形管会因为壁温差异，引起金属膨胀不同步而产生弯曲变形。

同时在锅炉点火后，锅炉受热升温并逐渐产生蒸汽，但在升压过程初期，由于燃料燃烧放热量有限，而且有很大一部分要消耗于加热水和金属管壁，用于炉水蒸发的热量就不多，因此产汽量很少，容易造成过热器受热面蛇形管中的流量不均匀，加之温度场的不均匀，同样会造成过热器蛇形管由于受热不均匀而产生弯曲变形[5]。

（3）炉膛的过热器管前布置一道隔墙，过热器管局部仍可受到火焰辐射加热，其它部分为受烟气对流加热，过热器管不同部位的温度场不均匀，可导致过热器管受热不均，产生热应力而弯曲变形。

（4）由锅炉运行工况参数可见，锅炉运行过程蒸汽负荷波动大，锅炉过热器附近温度传感器的监测温度经常在500～820℃之间波动。过热器管的不同部位受热不均匀，膨胀量不一致，不同部位存在热应力，引起管子变形。

（5）过热器管管夹发生高温碳化断裂、损毁严重，未及时维护并更换管夹，在过热器管建立热平衡过程未受有效约束而容易变形。

综上分析可知，该锅炉启停炉频繁、过热器管在快速启动过程中出现过热现象，锅炉热负荷波动大，过热器管局部受热不均、未受管夹的有效固定，导致过热器管出现材料过热并在热应力的作用下发生变形。

4 维护建议

（1）按TSG G7002-2015《锅炉定期检验规则》第2.6.3.2款和2.6.3.3款要求，过热器管的变形已超过规定范围（超过管子公称直径），材料出现过烧及力学性能劣化，应当进行更换[6]。

（2）针对该型号锅炉特点制定科学的锅炉操作规程，并严格按照操作规程操作，确保锅炉起停炉速度合理，可考虑采取锅炉炉膛温度和LPG流量联动控制方式，避免过热器管在超出其允许壁温情况下干烧或在蒸汽量很少的情况下大火运行。

（3）锅炉运行负荷变化剧烈，可通过增加缓冲罐等方式，减轻锅炉由于用汽量急剧变化而造成锅炉炉膛温度急剧变化，导致锅炉超高负荷运行或燃烧火力大小剧烈波动。

（4）合理调整锅炉结构，增加前置受热面管，有效降低过热器辐射热，尽量使过热器管所在位置温度场均匀、不同部位受热温度和形式一致。

（5）定期做好锅炉使用维护，及时更换损毁管夹，保证过热器管得到有效固定。

[1]张文胜，管海英，宋坤．ZS20-1.6/350-Y（Q）锅炉过热器和减温器的设计[J]．工业锅炉，2002（1）：21-23.

[2]崔占仓，陈志方，邓旭．全自动水管燃气蒸汽锅炉过热器炉管变形原因分析[J]．化工管理，2014（2）：95-95.

[3]GB 5310-2008.高压锅炉用无缝钢管[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4]TSG G0001-2012.锅炉安全技术监察规程[S].北京：中国标准出版社，2012.

[5]林壮敦．电厂启动锅炉过热器过热变形的原因分析和预防措施[J]．中国科技信息，2012（16）：104-105.

[6]TSG G7002-2015锅炉定期检验规则[S].北京：中国标准出版社，2015.

Cause Analysis of Deformation of Superheater Tubes of SZS Gas-fired Boiler

LIU Ke-xiu，LU Zhong-ming，WANG Lian
（Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou 510663，China）

The first to the sixth group Superheater Tube of a SZS15-1.8/250-YQ gas-fired boiler were found deformation，and the maximum deformation is about 160 mm.After analysis，the boiler has a frequent shutdown furnace，the superheater tubes were overheated during rapid start-up，boiler heat load fluctuates greatly，superheater tube local heating uneven and did not get the effective clamping of the clamp，resulting in overheating of the superheater tube and deformation under thermal stress.

SZS boiler；superheater tube；deformation；cause analysis

2017-02-09

刘课秀（1984－），男，广东梅州人，工程师，工程硕士，主要研究方向为金属材料和失效分析。