300 MW级亚临界锅炉管爆裂原因及剩余寿命评估

乔 帅（山西省漳泽电力河津发电分公司，山西 河津 043300）

0 引 言

发电厂锅炉的可靠运行是发电厂安全运行的要素。发电厂锅炉运行中，由于运行环境较为恶劣，长时间运行下很容易发生锅炉管受热爆漏的情况，不利于发电机组的安全高效运行。为了锅炉安全高效运行，要深入剖析300 MW级亚临界锅炉管爆裂原因，制定科学有效的预防措施，对300 MW级亚临界锅炉管的剩余寿命进行综合评估，规划日常管理方式和养护方式，定期检查和维修，做好锅炉压力容器的检查工作，预防锅炉管爆裂，提高发电厂日常运行的安全性。在这样的环境背景下探究300 MW级亚临界锅炉管爆裂原因及剩余寿命评估，具有非常重要的现实意义。

1 300 MW级亚临界锅炉管爆裂原因分析

以300 MW级亚临界锅炉管为研究对象，样本选择某发电厂300 MW国产燃煤发电机组3号锅炉的爆裂过热管道。该管道已经运行53 085个小时，运行温度达到540 ℃，额定蒸气压力为16.7 MPa，运行时间没有超出锅炉管道的预设寿命。为了减少此类安全事故的发生，必须找出该锅炉过热管道的爆裂原因，估算实际寿命，采取合理有效的措施保证锅炉的安全运行。

1.1 研究方法与思路

采用对比法进行300 MW级亚临界锅炉管爆裂原因分析，分别选取爆裂管和未爆裂管，对二者的外观形貌、力学性能、金相组织、氧化层和爆裂裂纹进行综合分析，找出爆裂管和未爆裂管各项检测结果的异同，判断300 MW级亚临界锅炉管爆裂原因。研究人员在爆裂管与未爆裂管上进行取样，利用事先准备好的环状横向金相试样和半环状纵向金相试样，使用金相显微镜进行观察。同时，研究人员选择ICP光谱仪列出该样品中爆裂管与未爆裂管的化学成分，明确爆裂管材料化学成本符合相关指标要求，仔细分析和观察爆裂管的形貌，记录观察到的内容，以便后期综合分析研究爆裂管。

1.2 爆裂管力学性能检测分析

第一，在外观形态上看，爆裂管中的爆裂位置为过热器管道直管段，管内壁和外壁表面附着的氧化皮已部分剥落，内外壁表面没有任何的金属光泽，其中氧化层破口位置边缘已经钝化，爆裂管破口位置厚度达到4.2 mm，而未爆裂管的厚度是7.2 mm，爆口处外径相比于未爆裂位置变粗。观察爆裂管内外壁，研究人员发现管壁有一层很厚的氧化层，说明爆裂管的破口位置已经被高温氧化[1]。第二，从爆裂管拉伸性能上看，研究人员对未爆裂管和爆裂管两种材质进行取样检测，取样位置为向火面和背火面，检查结果如表1所示。相关质量指标中，对12Cr1MoV锅炉管的抗拉强度、弯曲强度有明确要求。从12Cr1MoV爆裂管的抗拉强度、弯曲强度以及延伸率上看，向火面和背火面都远低于质量指标，而12Cr1MoV未爆裂管的向火面抗拉强度没有达到标准要求，背火面的抗拉强度、弯曲强度以及延伸率都符合质量指标。此外，12Cr2MoWVTiB未爆裂管的各项力学性能指标也均低于标准要求。未爆裂管和爆裂管两种材质的向火面力学性能远远低于背火面力学性能。可以看出，300 MW级亚临界锅炉管长时间在高温高热环境下运行，使得锅炉管总体力学性能迅速下降，期中向火面下降幅度远高于背火面。

1.3 爆裂管金相组织检测分析

第一，图1为12Cr1MoV未爆裂管金相组织，以铁素体与珠光体组合形成，其中提供聚焦形态作用的珠光体碳合物已经不是片状，一部分生成灰色块状区域，使得珠光体区域开始逐渐呈现分散状态，表露出该材质发生轻度球化现象，等级约为3级。从图1也可以观察到个别晶界中的蠕变孔洞，再加上发现内壁厚厚的氧化层，可以初步判断该材质形成蠕变。同时，距离爆口较近位置向火面的金相组织中，珠光体碳化物分散状态较为明显，形成小球状，并位于铁素体晶界，球化程度已经达到4级左右，属于完全球化。锅炉管长时间处于高温高热环境下，向火面组织逐渐拉长变形，没有任何相变产生，成为较为严重的球化组织，从爆口处向四周逐渐变浅。背火面属于中度老化组织，完全球化，但在检测中没有发现任何的组织转变，可以看出该爆裂存在短期过热塑性断裂的特点。

表1 爆裂管与未爆裂管的力学性能检测结果

图1 12Cr1MoV未爆裂管金相组织

第二，图2为12Cr2MoWVTiB未爆裂管金相组织，以贝氏体、铁素体和碳化物为主要成分，三角位置存在局部再结晶问题。该区域铁素体晶粒很小，碳合物以链条状呈现在晶界位置，留有粗化碳合物颗粒。可以看出，锅炉管在长期高温高热环境下形成了再结晶组织，存在过热运行的痕迹。

图2 12Cr2MoWVTiB未爆裂管金相组织

1.4 爆裂管氧化层检测分析

研究人员采用对比法分别选取爆裂管的爆口位置和远离爆口位置的样品，并利用试样进行氧化层检测分析。分析发现，远离爆口位置的氧化膜金属表面存在沿晶氧化现象，而爆裂管爆口位置内外壁已经生成较厚的氧化膜，具有颜色差异大的特点，整体结构则以多层结构为主。由此可以得出，12Cr1MoV材质的锅炉管处于温度580 ℃下具备良好的抗氧化性能，腐蚀深度可以控制在0.05 mm/a，一旦温度高于600 ℃，12Cr1MoV材质的锅炉管抗氧化性能会迅速下降，腐蚀深度会高于0.1 mm/a，使得锅炉管氧化层逐渐脱落，造成锅炉管爆裂。根据上述检测结果，12Cr1MoV爆裂管爆口位置氧化层厚度与远离爆口位置氧化层厚度之间的差距较大，均低于理论厚度。这主要是因为锅炉管内壁氧化层由于受到高温蒸汽的冲刷造成氧化膜碎裂，过多积压导致局部温度过高而造成锅炉管爆裂[2]。

1.5 爆裂管裂纹检测分析

从12Cr1MoV爆裂管裂纹上看，明确了爆口位置组织和裂纹形态，明确了裂纹主要是晶界位置发生蠕变孔洞并沿着晶界向外拓展连接生成，具备沿晶断裂特点，属于长期超温爆裂后的结果。同时，12Cr1MoV爆裂管主裂纹与二次裂纹的边缘存在晶粒变形问题，主要是因为爆口位置是内部蒸汽压力而无法承受内压导致的爆裂，具备短期高温过热塑性变形特征。

通过上述分析可以看出，造成300 MW级亚临界锅炉管爆裂原因有以下两方面。一是300 MW级亚临界锅炉管内壁氧化层由于长期处于超过600 ℃的环境，降低了锅炉管抗氧化性能，使其内外部形成一层厚厚的氧化层，内壁受到高温蒸汽的冲刷造成氧化膜碎裂，过多积压导致局部温度过高而造成锅炉管爆裂。二是300 MW级亚临界锅炉管局部短期过热，迅速降温后加快了锅炉管内外氧化层的形成，降低了锅炉管自身的承载能力，从而造成300 MW级亚临界锅炉管的爆裂[3]。

2 300MW级亚临界锅炉管剩余寿命评估

本文运用持久强度法进行300 MW级亚临界锅炉管剩余寿命评估。持久强度是衡量锅炉管材料处于长期高温应力下的抗塑性断裂能力强度指标，在某温度下，1×105h对应的应力值是该锅炉管的持久性强度极限。在剩余寿命评估中，通过持久强度计算锅炉管的剩余寿命。设定双对数坐标进行持久强度曲线制定，在580 ℃以上温度下，持久强度曲线应力和断裂时间具备下述关系：

其中σ表示应力，tr表示断裂时间，A、B分别表示材料常数。

式（1）两边取对数，得：

从对数坐标上看，应力和时间之间的持久强度曲线为直线关系。在式（1）和式（2）的基础上，得出300 MW级亚临界锅炉管的最小寿命和平均寿命。

最小寿命为：

进一步得到：

平均寿命为：

进一步得到：

其中tmin表示最小寿命，t表示平均寿命，σZS表示工作应力。结合300 MW级亚临界锅炉管的实际工作压力和尺寸大小，结合现有设计规范可以得出该管道内压折算应力，最终获得300 MW级亚临界锅炉管的剩余寿命[4]。

3 300 MW级亚临界锅炉管的日常养护要点

结合300 MW级亚临界锅炉管的爆裂原因分析，相关工作人员要加强300 MW级亚临界锅炉管的日常养护工作，具体措施表现为以下几方面。第一，工作人员重视300 MW级亚临界锅炉管爆裂事故，了解300 MW级亚临界锅炉管爆裂的原因，树立养护意识，提高日常检查的外观形貌检查，做好相关记录；第二，工作人员要在300 MW级亚临界锅炉运行中，定期检测锅炉管道实际温度，然后根据温度做好相关防护工作，结合锅炉的运行情况计算锅炉的剩余寿命，再根据检查结果做好锅炉管理决策，预防安全事故，进而保证300 MW级亚临界锅炉管的安全有效运行[5-6]。

4 结 论

综上所述，在300 MW级亚临界锅炉管爆裂分析中，得到了300 MW级亚临界锅炉管爆裂原因，包括管内氧化层破裂堆积和氧化层快速生成而降低了锅炉管道承载力等。为了预防这一爆裂问题，要求工作人员加强日常养护，核算300 MW级亚临界锅炉管的剩余寿命，以此为依据进行管理决策，保证锅炉的安全有效运行。

[1] 刘 莉，李智丽.锅炉管爆裂原因分析[J].包钢科技，2016，42（3）：44-47，67.

[2] 何石磊.300MW级亚临界锅炉管爆裂原因及剩余寿命评估[J].焊管，2016，39（4）：17-21.

[3] 李继康，黄进峰，李文成.锅炉水冷壁管爆裂原因分析[J].物理测试，2016，28（1）：46-49.

[4] 谭 莹，曹 标，陈 明，等.锅炉管爆裂原因分析[J].物理测试，2015，（1）：45-47.

[5] 谭彦显，吴瑞祥.锅炉管爆裂失效的分析研究[J].湖南冶金，2014，（3）：13-17.

[6] 陈兴元.锅炉管爆裂原因分析[J].物理测试，2015，（3）：56-57.