某亚临界机组锅炉分隔屏过热器爆管原因

龚秋文, 刘课秀, 马 括, 封小亮

(广州特种承压设备检测研究院, 广州 510663)

随着国内经济的快速发展和发电机组质量标准的日益提高，机组的稳定运行成为一项基本要求。爆管事故的发生不仅使设备检修工作量和检修费用大大增加，而且严重影响了锅炉机组的安全稳定运行，有时甚至发生人员伤亡和设备严重损坏事故[1]。目前，锅炉四管泄漏仍是发电机组非计划停运的重要原因之一[2]。研究分析电厂锅炉分隔屏过热器爆管原因并给出相关预防建议，对于防范过热器爆管，避免非计划停运有重要的意义。

发生爆管的亚临界锅炉型号为SG-1100/17.5-M739，机组于2010年投入使用，发生爆管时机组负荷为248 MW，供热流量为 209 t/h，主蒸汽压力为16.1 MPa，主蒸汽流量为910.9 t/h。过热器管规格为51 mm×6.5 mm(外径×壁厚)，材料为12Cr1MoVG钢。12Cr1MoVG钢是一种常见的珠光体型热强钢[3]，具有组织结构稳定、综合力学性能优良等优点[4]，被广泛应用于电站锅炉集箱、管道及受热面管子的制造，标准TSG 11—2020 《锅炉安全技术规程》规定12Cr1MoVG钢适用于金属壁温不高于580 ℃的受热面管子，以及使用温度不高于565 ℃的集箱、管道等。爆管位置为从炉左往炉右数第2大屏、从炉前往炉后数第3小屏最内侧弯管处，该爆管部位为过热器管第1泄漏点，该炉左右两侧均装有长吹灰器，从炉左往炉右数第2大屏、从炉前往炉后数第4小屏同一标高位置也存在吹损情况，分隔屏过热器管结构如图1所示。

图1 分隔屏过热器管结构示意

1 理化检验

1.1 宏观观察

从炉左往炉右数第2大屏、从炉前往炉后数第4小屏过热器管的宏观形貌如图2所示。

图2 从炉左往炉右数第2大屏、从炉前往炉后数第4小屏过热器管的宏观形貌

泄漏的过热器管为弯管及两侧各约1 m长的钢管，钢管外壁可见3处明显损伤缺陷，其中爆口位于弯管位置上方焊缝往上位置，爆口处沿钢管纵向撕裂，爆口长度约为220 mm，爆口最大宽度约为45 mm，弯管至爆口上方长约450 mm、宽约40 mm的表面呈磨平状，可见两侧爆口均明显减薄，爆口张口最大位置一侧呈略微外翻状态，可判断该处为启裂位置，钢管内、外壁表面均未见明显腐蚀、结焦、积盐等异常。爆裂的过热器管整体及局部宏观形貌如图3所示。过热器管对接焊缝局部明显减薄，但较两侧母材则略微凸出。1#损伤部位与爆口减薄面朝向一致，表面接近磨平状；2#损伤部位位于U型弯管外弧侧，表面可见明显机械划伤，整体接近平面状。对过热器管进一步制取试样进行分析，取样位置如图4所示。

图3 爆裂的过热器管整体及局部宏观形貌

图4 过热器管取样位置

1.2 壁厚测量

依据标准GB/T 11344—2021 《无损检测 超声测厚》，采用型号为DM5E的超声测厚仪对过热器管进行壁厚测量，可见爆口所在纵向局部接近磨平区域壁厚严重减薄，实测最小壁厚为1.40 mm，磨平管段其余侧壁厚仍保持为6.5 mm， 1#损伤处表现为轻微减薄， 2#损伤处未见明显减薄，爆裂的过热器管壁厚测量结果如图5所示。

图5 爆裂的过热器管壁厚测量结果

1.3 化学成分分析

在爆裂的过热器管上制取试样，采用ARL4460型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示，可见过热器管的化学成分均符合GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr1MoVG钢的要求。

表1 过热器管的化学成分分析结果 %

1.4 拉伸试验

在过热器爆管上制取两个纵向弧形拉伸试样，试样平行段宽度为10 mm，按照GB/T 228.1—2021 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，采用DNS300型万能试验机进行拉伸试验，试验温度为24 ℃，结果均符合GB/T 5310—2017对12Cr1MoVG钢的要求，具体试验结果如表2所示。

表2 爆管试样的室温拉伸试验结果

1.5 硬度测试

在爆口处横截面截取试样，按照GB/T 4340.1—2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，采用DuraScan-70型硬度计进行维氏硬度测试，结果如表3所示，结果无明显异常。

表3 爆口处试样的硬度测试结果 HV

1.6 金相检验

在过热器管爆口张口最大部位横截面截取试样，经体积分数为4%的硝酸乙醇溶液侵蚀后，用Zeiss Axiovert 200 MAT型光学显微镜进行观察，依据标准DL/T 884—2019 《火电厂金相检验与评定技术导则》和DL/T 773—2016 《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》进行显微组织分析。

过热器管内壁无明显腐蚀减薄，外壁磨平位置出现严重壁厚减薄，爆口处剩余金属壁厚不足1 mm，爆口处晶粒无明显变形，爆口各部位显微组织形貌如图6所示。过热器管壁厚减薄位置外壁光滑且无明显氧化产物覆盖，过热器管组织为铁素体+贝氏体，球化级别为2.5级，过热器管内、外壁均有深度约为0.3 mm的脱碳层。

1.7 扫描电镜及能谱分析

在过热器管爆口张口最大部位(图4中的扫描电镜及能谱分析位置1处)和减薄位置(扫描电镜及能谱分析位置2处)截取试样，置于扫描电镜下观察，结果如图7所示。在位置1处发现断口表面和外壁表面均覆盖腐蚀产物及沉积物，无法看清表面形貌，采用体积分数为5%的盐酸溶液清洗后，可见断口具有韧窝特征，外壁表面可见明显磨损痕迹[见图7a)～7b)]。对位置2外壁减薄表面进行观察，可见明显的冲刷痕迹[见图7c)～7d)]。

图7 爆口处的SEM形貌

对清洗前的试样外壁表面和断口表面进行能谱分析，分析位置及结果如图8所示，从分析结果可见，外壁表面(见谱图1)主要元素为碳、氧、钠、镁、铝、硅、硫、氯、钾、钙、铬、铁，断口表面(见谱图2)主要元素为碳、氧、钠、镁、铝、硅、硫、磷、氯、钾、钙、铬、铁，说明表面主要为腐蚀产物和沉积物。

图8 能谱分析位置及结果

2 综合分析

过热器管材料的化学成分和力学性能均无明显异常。从宏观观察和壁厚测量结果可知：过热器管爆管位置局部外壁接近磨平状态，局部剩余壁厚小于2 mm，该管段管壁其余侧壁厚无明显减薄，过热器管内壁无明显腐蚀等异常，可见过热器管局部出现了严重异常磨损减薄。过热器管的断口附近未发现明显塑性变形，管径未见明显胀粗，无明显短时过热或长时过热特征。分隔屏过热器位于2#锅炉前炉膛正上方，尽管受炉膛内火焰直接辐射，其热负荷比较高[5]，但停机前未发现管壁超温。

由金相检验结果可知：过热器管组织为铁素体+贝氏体，球化级别为2.5级，爆口处晶粒无明显变形。过热器管材料的化学成分和力学性能均无明显异常，表明该分隔屏过热器管的泄漏并不是材料不合格或老化[6]引起的。过热器管减薄位置外壁无明显氧化产物覆盖，表明该位置长期受磨损作用。采用体积分数为5%的盐酸溶液清洗断口后，用扫描电镜观察发现断口具有韧窝形貌特征，外壁表面可见明显冲刷磨损痕迹，表明爆口局部接近磨平区域为冲刷磨损所致。

过热器管爆管泄漏位置为从炉左往炉右数第2大屏、从炉前往炉后数第3小屏最内侧弯管位置，正常情况下该位置不易受到烟气局部严重冲刷。过热器管外壁存在明显磨损痕迹，且过热器管爆裂处严重减薄集中在小区域，磨平区域管段其余侧壁厚接近原壁厚，为6.5 mm，可见过热器管外壁局部受到集中流体的强烈冲刷磨损。爆裂过热器管所在标高位置，炉左右两侧均布置有吹灰器，且从炉左往炉右数第2大屏、从炉前往炉后数第4小屏同一标高位置过热器管也存在局部磨损情况。通过查阅锅炉资料，可以计算出壁厚不应小于4.20 mm，而爆裂处实测剩余壁厚最小值为1.40 mm。经分析可得出：部分管段母材存在减薄现象，不满足强度使用要求，壁厚的减薄会影响受热面管的强度[7]，很多受热面管爆管都是由于强度不足造成的。

综上分析，吹灰蒸汽及气流夹带的杂质等引起过热器管局部严重冲刷减薄，剩余壁厚小于2 mm，从而导致过热器管吹损减薄部位承压能力不足，甚至发生爆管泄漏。

3 结论与建议

该锅炉分隔屏过热器管受到吹灰蒸汽等冲刷，使过热器管局部出现了严重的冲刷磨损减薄，管子强度不够、承压能力不足，最终导致过热器管在运行时发生爆裂泄漏。

建议严格按照DL/T 939—2016 《火力发电厂锅炉受热面管监督技术导则》等要求对分隔屏过热器进行检查，检查过热器管附近吹灰器是否存在卡涩等运行异常情况；确认吹灰器的布置、吹灰角度、吹灰频次和压力的设置等是否合理，必要时进行合理调整；加强对分隔屏过热器管的防磨、防爆检查，特别要对出列或位置特殊、容易吹损的过热器管加防磨瓦防护，对吹灰器辐射区域的过热器管进行超声测厚，对磨损或吹损严重的过热器管进行更换。