屏式过热器频繁爆管的原因分析及处理措施

徐甲庆

（河钢集团邯钢邯宝钢铁有限公司能源中心，河北邯郸 056015）

前言

邯钢西区自备电厂3×60 MW 煤气发电机组，是公司在钢铁冶炼期间富余煤气综合利用发电创效项目，配套3 台60 MW 双抽冷凝式汽轮机和3 台燃煤气高温高压锅炉组成。1#炉安全运行56 800 h，随后在一个月内接连出现3起集箱内隔板焊缝开裂，部分过热器管过热爆管事故，从化学成分、金相组织和内隔板结构等方面对屏式过热器频繁爆管的原因分析，更换加固屏式过热器24 个内隔板，彻底解决了屏式过热器频繁爆管的状况。

1 屏式过热器运行参数及爆管现象

屏式过热器布置在炉膛折焰角上部，受到炉膛的850～950 ℃高温辐射换热和出口850～923 ℃高温烟气对流换热。屏式过热器设计为Φ42×5 mm无缝热轧管，最外第1、第2 根屏式过热器管设计为12Cr2MoWVTiB，其余设计为12Cr1MoVG，半辐射屏式过热器沿烟道的宽度方向从西向东布置了12 组管屏，管屏横向节距为600 mm，受热面积328 m2。运行参数见表1。

表1 屏式过热器运行参数

1#锅炉一个月内连续发生3起屏式过热器爆管事故，且第2 次和第3 次新换管也爆管，“爆口”表现为短时间超温现象明显。

（1）第一次爆管

间隔时间:56 000 h。

爆管位置：炉膛从西数第一组屏式过热器第1根爆管，其余3根弯头有裂纹。

爆管现象及原因。“爆口”沿管材水平向长32 mm，横向宽约3 mm，断裂面不平整，“爆口”处管壁厚为4.56 mm，管径为42.68 mm。“爆口”处存在薄氧化皮。弯头处，管壁厚为4.66 mm，管径为42.55 mm。管径胀粗约为1.45%。“爆口”为长期超过管材设计温度产生爆管。

爆管处理措施：对爆管进行了切除和联箱管口封堵；更换了第一组屏式过热器12处弯头。

（2）第二次爆管

间隔时间：480 h。

爆管位置：西侧第一组屏式过热器2处新换“U”型管和中间2处弯头裂纹。

爆管现象及原因。中间2 处弯头处，管壁厚为4.64 mm，管径为42.58 mm。管径胀粗约为1.45%。“爆口”为长期超过管材设计温度产生爆管。2 处新换“U”型管为短时超温爆破口的特点。

爆管处理措施：更换屏式过热器4处“U”型管。

（3）第三次爆管

间隔时间：72 h。

爆管位置：第一次更换过的“U”型管4处爆管。

爆管现象及原因。管径比原管材粗约为13.2%，“爆口”为锋利的喇叭形，边沿很尖利，为韧性断裂的特性，为短时超温“爆口”的特点。

爆管处理措施：屏式过热器大修，更换屏式过热器管和屏式过热器联箱内部隔板加固或更换。

2 屏式过热器爆管的原因分析

锅炉屏式过热器在短期内连续发生3 次爆管，第2 次和第3 次新换管爆管，“爆口”表现为短时间超温现象明显，说明了在一个月内连续3 起爆管的原因和爆管的机理未查清，需全方位排查分析。

2.1 成分分析

对库存的12Cr1MoV 备品管、发生爆管1 000 mm 上方取样及原来运行管管样进行取样分析。见表2。

表2 管材化学分析 %

由表2所列，原运行的管材及更换的管材，其结果与12Cr1MoV 钢的成分指标相符，确定了原厂家提供管材和更换管材料，完全符合GB/T5310--2017的要求。

2.2 金相组织分析

对连续爆管的炉膛西侧第1 组屏式，对连续出现“爆口”的无缝管，对“爆口”上部50 mm 砂轮切割取样，取样后12Cr1MoV 将切面磨制和抛光后进行微观金相检验，为铁素体+碳化物，珠光体球化5级，碳化物在晶界析出、呈链状分布，具有过热老化特性。如图1 所示。

图1 “爆口”边缘上部50 mm金相结构

2.3 连续3起屏式过热器运行分析

爆管前后数据对比，屏式过热器出口蒸汽长期在430～460 ℃超温运行，且4 次严重超温持续时间长。该锅炉蒸汽温度调节用喷水减温二级布置，第一级喷水点布置在第二级对流过热器与屏式过热器之间，为粗调，保证屏式过热器出口蒸汽温度≤429 ℃；第二级喷水点布置在一级过热器冷段和热段之间，为细调。经二级喷水调温后，保证主蒸汽温度在530～540 ℃额定范围内运行。

因设计安装缺陷，第一级2 个喷水减温电动调节阀为水平安装，受重力影响阀门和电动执行机构不同心，造成一级喷水减温调节阀卡涩，反应不灵敏。而屏式过热器出口蒸汽温度在430～480 ℃时,可只用二级减温水调节,就能满足主蒸汽温度在530～540 ℃额定范围内运行。且二级减温比一级减温调节主蒸汽温度更灵敏、可靠，外加一级减温水调节阀卡涩。在运行中,主要用二级减温水对主蒸汽温度进行调节，存在一级减温水调控不及时或低负荷不投运的现象，疏忽了一级减温水对屏式过热器的保护作用，造成屏式过热器长期在430～460 ℃超温运行。屏式过热器出口蒸汽温度超标参数见表3。

表3 屏式过热器出口蒸汽温度超标参数

2.4 屏式过热器结构分析

每一组锅炉屏式过热器集箱Φ219×25mm 的内部焊接两个内堵板(12CrlMoV)，两个内堵板为单边满焊，把整个连箱分成了A 区、B 区和C 区三段。屏式过热器的蒸汽流程如图2。

图2 屏式过热器蒸汽流程图

低温过热出口集箱输出的过热蒸汽通过集箱A区，从集箱A区进入左侧过热器管，过热蒸汽经过吸收炉膛辐射和对流换热，再进入集箱B区；进入右屏式过热器的隔板1 和隔板2 左侧面为受力面，可以承受运行中的锅炉设计压力，反面为不受力面，即运行中高压力只能作用隔板1和隔板2左侧面。

为彻底分析原因，把连续3次发生爆管，炉膛西侧第一组屏式联箱割开，发现隔板1 和隔板2 存在焊缝开裂倾倒现象；随即将剩余的11组屏式过热器联箱割开检查，发现有7 个隔板开裂、倾倒和移位。屏式过热器联箱内隔板状态见表4。

表4 屏式过热器联箱内隔板状态

2.5 屏式过热器集箱内堵板开裂、倾倒原因分析

屏式过热器集箱内堵板为单边满焊，焊缝中存在大量气孔、夹渣缺陷。机组启动、运行中由于内堵板两侧设计存在差压，锅炉负荷交替变化，产生的热胀冷缩，使内堵板的焊缝产生热交变应力。加之屏式过热器超温运行过一段时间，焊缝强度急剧下降，当热应力大于焊缝的屈服极限应力，首先从焊缝中存在气孔、夹渣的薄弱地方开裂，气流从开裂处不断进行冲刷出现裂缝，加之内堵板运行期间频繁振动,最终使焊缝全部开裂，导致内隔板开裂、倾倒。

由于内堵板两侧压差消失，屏式过热器采用Φ 42×5mm 管径细，压降大，阻力大，联箱管径粗，压降小，阻力小,过热蒸汽就会由联箱A 区直接流向B区，那么联箱下部管子的高温过热蒸汽流量减少，处于高温对流辐射，屏式过热器管在无蒸汽冷却下，造成管排干烧,短期超温爆管。综上所述，屏式过热器管频繁爆管主要原因是联箱内隔板焊缝开裂和超温引起的。

3 处理方法和措施

(1)对12 组屏式过热器联箱24 处焊口用砂轮割断，对原焊缝打磨40°坡口，对新内堵板进行双面打坡口，在联箱内部打磨清理干净，焊接部位预热到300 ℃，集箱内隔板用氩弧焊工艺焊接，联箱焊接采取氩弧焊打底电焊盖面的工艺。焊后热处理，3 h内平均加温到730 ℃后，在730 ℃恒温保持1 h；2.5 h内从730 ℃均匀降至300 ℃；从300 ℃自然冷却至常温。热处理期间禁用快速升温或强制冷却措施，热处理完毕后焊缝100%做超声波探伤。

(2)更换屏式过热器管。对内隔板发生倾斜或开焊的联箱，全部更换锅炉屏式过热器Φ42×5mm管子，焊接采用氩弧焊，焊丝采用R31。对第1、第2根材质为 12Cr2MoWVTiB，采取焊条R34 氩弧焊焊接。

(3)第一级2 个电动调节阀改造水平直管段上，垂直安装，解决了阀门和电动执行机构不同心问题，实现了一级减温水自动调节功能，运行中严格控制屏式过热器出口汽温≤429 ℃；主蒸汽温度低时,禁止采用屏式过热器超温运行，提高主蒸汽温度的方法。

4 结论

综上所述，锅炉屏式过热器在一个月内接连出现3 起爆管的主要原因是集箱内隔板开裂或倒塌，按照上述措施和方法对锅炉屏式过热器联箱和管子进行处理后，保证了锅炉的安全稳定运行。