鍋爐受熱面管失效分析

　鍋爐受熱面管失效分析□申軍輝郭正民內(nèi)容鍋爐運(yùn)行事故中，鍋爐受熱面管失效泄漏占有相當(dāng)比例，常常造成停爐事故，事故搶修難度大，由于事故部位不同而搶修時(shí)間不同，給鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成障礙。鍋爐受熱面管失效泄漏，已成為影響機(jī)組可靠性的主要因素。

　　如何減少受熱面管的泄漏，已成為提高機(jī)組可靠性的關(guān)鍵。為此，本文對河北興泰發(fā)電有限責(zé)任公司歷年鍋爐受熱面管失效泄漏進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出造成鍋爐受熱面管失效的型式，以及其失效機(jī)理，以便制定措施，消除造成失效的不利因素，提高鍋爐受熱面管子的可靠水平，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

　　~），男，河北石家莊人；石家莊高新區(qū)華昊工程技術(shù)服務(wù)有限公司助理工程師；研究方向：焊接技術(shù)郭正民，河北興泰發(fā)電有限責(zé)任公司近十多年來，我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，高參數(shù)、大容量機(jī)組的大型火力發(fā)電廠一座座撥地而起，以滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對電力的需求。為適應(yīng)蒸汽參數(shù)的提高和蒸發(fā)量日益增大，鍋爐水循環(huán)和燃燒方式也隨之有所改變。參數(shù)的提高、容量的加大，水循環(huán)的增加以及燃燒的加速而導(dǎo)致鍋爐受熱面的熱負(fù)荷不斷加大，加上參與調(diào)峰、加減負(fù)荷頻繁且升降幅度較大、運(yùn)行控制調(diào)整失當(dāng)，鍋爐水化學(xué)處理不善等因素，不可避免地會(huì)使鍋爐受熱面出現(xiàn)蠕變、過熱、疲勞、磨損、腐蝕等異常現(xiàn)象，日積月累最終導(dǎo)致受熱面損壞而發(fā)生事故。一旦發(fā)生事故，將給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，給人民生活帶來極大的不便。鍋爐受熱面在運(yùn)行中一側(cè)是燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔�，一�?cè)是高溫高壓的水和蒸汽，材料的使用環(huán)境相當(dāng)惡劣，因而材料失效所引起的事故時(shí)有發(fā)生。

　　本文僅以河北興泰發(fā)電有限責(zé)任公司HG670/140-9、DG670/13.7-8、BWB-1025/17.5-M型鍋爐為基礎(chǔ)，對歷年鍋爐受熱面管失效泄漏進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過研究部件失效的特征、過程、形式等，查明部件破壞的直接原因，找出造成鍋爐受熱面管失效的型式及其失效機(jī)理，提出預(yù)防事故的措施和對策，消除造成失效的不利因素，提高鍋爐受熱面管子的可靠水平，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)失效分析還可以查明責(zé)任主體，為企業(yè)提高技術(shù)管理水平提供依據(jù)。

　　二、受熱面管失效因素河北興泰發(fā)電有限責(zé)任公司2006年至2008年受熱面管共泄漏41次，其中長時(shí)過熱爆管12次；短時(shí)過熱爆管2次；磨損11次（機(jī)械磨損3次、飛灰磨損8次）；腐蝕失效3次；焊接缺陷、材質(zhì)缺陷爆管4次；熱疲勞1次；位移、膨脹受阻高拘束應(yīng)力等其它原因爆管8次。究其受熱面失效因素，主要有四個(gè)方面：一是磨損、腐蝕、蠕脹、疲勞、過熱等失效都將影響受熱面的使用壽命，引起“四管”爆破泄漏等事故，迫使停爐搶修，甚至降低整個(gè)鍋爐的使用壽命。二是粘污、結(jié)渣、結(jié)垢會(huì)降低爐內(nèi)受熱面的傳熱能力�；椅墼谑軣崦娉练e后，由于其導(dǎo)熱系數(shù)很低，熱阻很大，一般粘污數(shù)小時(shí)后水冷壁的傳熱能力會(huì)降低30%-60%，使得爐內(nèi)火焰中心上移，爐膛出溫度相應(yīng)提高。三是由于爐膛出口溫度提高，使得飛灰易粘結(jié)在對流和屏式過熱器上，引起過熱器的粘結(jié)和腐蝕。四是積灰會(huì)使省煤器和空氣預(yù)熱器堵塞、傳熱惡化、從而導(dǎo)致排煙溫度升高，降低鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。五是由于煙氣側(cè)總阻力增大，使鍋爐無法維持在滿負(fù)荷下運(yùn)行，只好增加投煤量，引起爐膛出口煙氣溫度進(jìn)一步提高，使灰渣更容易粘在受熱面上，這種惡性循環(huán)將導(dǎo)致發(fā)生一系列的鍋爐事故。

　�。ㄒ唬╅L時(shí)超溫爆管。鍋爐受熱面管子在運(yùn)行過程中，因某些原因使管壁溫度超過設(shè)計(jì)溫度，在高溫長時(shí)間作用下，導(dǎo)致鋼材組織結(jié)構(gòu)的變化，蠕變速度加快，持久強(qiáng)度下降，使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而提早爆破損壞，稱為超溫爆管，也有叫做長期過熱爆管或一般性蠕變損壞。長時(shí)超溫爆管由于管壁溫度還沒有達(dá)到AC1臨界溫度，爆管時(shí)雖然有介質(zhì)的激冷作用，還不會(huì)發(fā)生相變。長時(shí)超溫爆管一般發(fā)生在高溫過熱器出口段的外圈向火側(cè)。據(jù)近幾年來對過熱器管子爆破事故的分析，有70%是由于長時(shí)超溫而引起的。長時(shí)超溫爆管的破口呈粗糙性斷口，管壁減薄不多，管子脹粗也不很顯著，爆破口附近往往有較厚的氧化鐵層。長時(shí)超溫爆管的顯微組織無相變，但卻有碳化物球化、碳化物析出并聚集長大甚至有些還會(huì)出現(xiàn)石墨化等組織變化。

　�。ǘ�）短時(shí)超溫爆管。鍋爐受熱面管子在運(yùn)行過程中，由于冷卻條件的惡化。使管壁溫度在短時(shí)間內(nèi)突然上升，達(dá)到鋼AC1臨界點(diǎn)以上溫度。在這樣高的溫度下鋼的抗拉強(qiáng)度急劇下降，在介質(zhì)壓力作用下，溫度最高的向火側(cè)首先產(chǎn)生塑性變形，管徑脹粗，管壁減薄，隨后發(fā)生剪切斷裂而爆破。

　　爆破時(shí)，由于介質(zhì)對熾熱管壁產(chǎn)生激冷作用，在爆破口往往有相變的組織結(jié)構(gòu)，這種爆管就稱為短時(shí)超溫爆管，也叫做短時(shí)過熱爆管或加速蠕變爆管。短時(shí)超溫爆管大多數(shù)發(fā)生在水冷壁管、凝渣管上，特別是水冷壁管熱負(fù)荷最高的地方，如燃燒帶附近的向火側(cè)。短時(shí)超溫爆破口一般脹粗較為明顯，管壁減薄很多，爆破口呈尖銳的喇叭形，其邊緣很鋒利，具有韌性斷裂的特征。爆破口附近有時(shí)有氧化鐵層，有時(shí)沒有。

　　爆破口的這些特征是與超溫爆管時(shí)產(chǎn)生了較大的塑性變形，使管璧減薄，因而承受不了介質(zhì)的壓力而引起剪切斷裂有密切關(guān)系。短時(shí)超溫爆管的過程類似作高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)，在應(yīng)力的作用下，現(xiàn)引起塑性變形后在局部地區(qū)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，最后形成剪切裂紋而產(chǎn)生韌性斷裂。

　�。ㄈ�）材質(zhì)不良、焊接質(zhì)量不佳引起的爆管。

　　材質(zhì)不良。材質(zhì)不良爆管是指使用有缺陷的鋼材或錯(cuò)用鋼材造成鍋爐受熱面管提早損壞。鍋爐受熱面管大都處在高溫應(yīng)力的條件下，即是在產(chǎn)生蠕變的條件下運(yùn)行，對所用鋼材性能要求是由運(yùn)行條件和加工工藝要求決定的，各種鋼材的要求都比較具體，但是生產(chǎn)和運(yùn)行實(shí)踐證明，國內(nèi)外生產(chǎn)的鋼材都可能存在某種缺陷。白點(diǎn)、發(fā)紋、裂縫、折疊、分層、結(jié)疤、氣泡及夾雜等缺陷均能嚴(yán)重影響鋼材的機(jī)械性能與熱加工成形性能。因此在生產(chǎn)鋼材過程中，必須按鋼材用途的不同，對上述各類缺陷加以控制。鍋爐受熱面使用了帶缺陷的管材就可能在運(yùn)行過程中爆管失效。使用了大于壁厚負(fù)偏差的折疊、結(jié)疤、離層、發(fā)紋和大于壁厚5%的橫向發(fā)裂以及嚴(yán)重夾雜、脫碳的管子稱為使用有缺陷的鋼材。錯(cuò)用鋼材往往是指把性能比較低的鋼材用到高參數(shù)的工況下，實(shí)際上是一種超溫運(yùn)行。一旦發(fā)生爆管事故，是屬于長時(shí)超溫爆管，其爆破口的宏觀特征和微觀組織的變化基本上與長時(shí)超溫爆管相同。爆管后對該管子進(jìn)行化學(xué)成分分析就很容易件查處事故的原因。在制造、安裝和檢修時(shí)，未經(jīng)計(jì)算就選用了低一級的鋼管，即認(rèn)為是錯(cuò)用鋼材。管理不善也往往會(huì)錯(cuò)用鋼材。

　　焊接缺陷。鍋爐受熱面管之間的連接采用熔化焊接形成永久接頭的方法使其結(jié)合，一般采用鎢極氬弧焊或氬弧打底加電焊蓋面的工藝方法。焊接缺陷是因?yàn)闆]有嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝或焊接工藝不成熟以及熱處理工藝不當(dāng)，造成焊縫存在氣孔、夾雜、夾渣、未熔合，未焊縫，裂紋，表面咬邊等焊接缺陷，及熱處理產(chǎn)生的過燒、再熱裂紋，或處理不夠，沒有很好的消除焊接應(yīng)力。焊接缺陷的存在降低了有效壁厚，使其承載后產(chǎn)生應(yīng)力集中；貫穿性缺陷破壞了受熱面管的氣密性，上水或承壓后泄漏。焊接或熱處理不規(guī)范，產(chǎn)生附加應(yīng)力，與承載應(yīng)力疊加造成焊口拉裂爆管。

　�。ㄋ模�熱疲勞裂紋。當(dāng)金屬材料的工作溫度或膨脹系數(shù)有差別時(shí)，各部分膨脹和收縮會(huì)相互約束而產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，也稱熱應(yīng)力。如果溫度發(fā)生變化，熱應(yīng)力也將隨之變化，同時(shí)伴隨著彈塑性變形的循環(huán)，塑性變形逐漸積累引起損傷，最后導(dǎo)致破裂。金屬材料經(jīng)受多次周期性熱應(yīng)力作用而遭到的破壞稱為“熱疲勞”破壞。構(gòu)件的熱應(yīng)力往往與動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的機(jī)械應(yīng)力疊加在一起發(fā)生作用。發(fā)生熱疲勞的管子外表面有大量的裂紋。一種是呈叢狀的平行橫向裂紋，產(chǎn)生直線型疲勞裂紋是由于管子的軸向剛性較大而橫向剛性較小，如全焊式膜式水冷壁管子外表面熱疲勞裂紋多為這一類型裂紋；另一種熱疲勞裂紋是網(wǎng)狀裂紋，產(chǎn)生這種裂紋是由兩個(gè)方向的熱應(yīng)力或約束造成的，鍋爐受熱面管子也可能出現(xiàn)這種熱裂紋，但一般只會(huì)產(chǎn)生于聯(lián)箱接管部位管子的內(nèi)壁。熱疲勞斷口形貌與一般的疲勞斷口的特征相似。宏觀斷口可分為三個(gè)區(qū)域，即裂源、擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。低合金耐熱鋼的熱疲勞斷口常被一層氧化物所遮蓋，在斷口分析之前必須清洗掉斷口上的氧化物，清洗后的斷口呈現(xiàn)出貝殼狀的疲勞斷口特征，但是，如果斷口上的氧化和腐蝕較嚴(yán)重時(shí)，斷口清洗后也可能看不到貝紋線。鍋爐受熱面熱管工作的可靠性一方面取決于管壁金屬的溫度工況。對于在正常壁溫下具有足夠強(qiáng)度的鍋爐鋼管，在由于水力學(xué)問題或傳熱惡化問題使管壁溫度超過容許值或管壁溫度長期波動(dòng)時(shí)，鍋爐鋼管會(huì)因金屬強(qiáng)度下降或金屬疲勞而破裂。線膨脹系數(shù)和彈性模量越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大；材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，在材料中產(chǎn)生的溫度梯度越大。這些都將導(dǎo)致材料的抗熱疲勞能力降低。

　�。ㄎ澹┠�損。鍋爐尾部受熱面因飛灰磨損容易發(fā)生爆破泄漏。過熱器、再熱器定位管（卡）松動(dòng)或不到位，使之相互機(jī)械磨擦，可以生金屬表面機(jī)械磨損爆破泄漏。當(dāng)燃燒器噴口安裝調(diào)整未達(dá)到設(shè)計(jì)要求、燃燒器噴口損壞及三次風(fēng)帶粉嚴(yán)重，一、三次風(fēng)噴口附近的水冷壁管，可能由于風(fēng)粉氣流沖刷水冷壁管引起磨損爆破泄漏。鍋爐受熱面磨損一般可以分為飛灰磨損和機(jī)械磨損兩類，尾部受熱面以飛灰磨損為主，機(jī)械磨損次之。飛灰顆粒對于金屬表面的磨損主要是機(jī)械作用，即由于飛灰顆粒的沖擊作用和切向作用所引起，而中又以切削作用為主。

　　（六）腐蝕。腐蝕爆管由于燃用煤種含硫量高、爐內(nèi)燃燒工況差，燃燒區(qū)域內(nèi)水冷壁管貼壁處煤粉缺氧，燃燒產(chǎn)生的還原性氣體與受熱面管子發(fā)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用，造成管子減薄特別是焊口處凹陷（稱高溫腐蝕）而引起爆管泄漏；由于蒸汽含有雜質(zhì)與受熱面管子發(fā)生電化學(xué)作用，在管子內(nèi)壁形成凹坑（稱內(nèi)腐蝕），該點(diǎn)管壁減薄，當(dāng)不能承受蒸汽壓力時(shí)就發(fā)生爆管。金屬材料受周圍環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)與電化學(xué)作用而引起的損壞叫腐蝕失效。腐蝕對部件損壞的表現(xiàn)為失重、破壞材料表面完好狀態(tài)和生產(chǎn)裂紋。按腐蝕機(jī)理分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。鍋爐受熱面腐蝕分汽、水側(cè)腐蝕和煙氣側(cè)腐蝕。汽、水側(cè)腐蝕按其機(jī)理包括苛性腐蝕、氫損害、氧腐蝕、垢下腐蝕及應(yīng)力腐蝕。煙氣側(cè)腐蝕包括水冷壁向火側(cè)腐蝕、高溫煤灰（油灰）腐蝕和低溫腐蝕。

　　四、防止鍋爐受熱面管失效泄漏采取的措施一是全面利用大修、技改工程、單項(xiàng)工程等機(jī)會(huì)對老化的磨損大的設(shè)備進(jìn)行大面積的更換。二是利用一切停爐機(jī)會(huì)對鍋爐承壓部件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷的管子及時(shí)進(jìn)行處理。

　　特別是邀請省鍋檢站對鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)，及時(shí)處理檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，保證了設(shè)備的健康水平。三是完善防磨、防腐措施，采用新技術(shù)、新方法來增加設(shè)備的使用壽命。四是進(jìn)行空氣動(dòng)力場試驗(yàn)。嚴(yán)格檢查噴燃器安裝角度、切圓是否符合實(shí)際情況，必要時(shí)根據(jù)實(shí)際空氣動(dòng)力更換原設(shè)計(jì)傾角、切圓，嚴(yán)防一、三次風(fēng)氣流沖刷水冷壁管。五是運(yùn)行中加強(qiáng)燃燒調(diào)整，組織合理的燃燒工況和恰當(dāng)?shù)幕鹧嬷行�，以減少高溫腐蝕，減少煙氣溫度偏差和流量偏差。六是加強(qiáng)化學(xué)監(jiān)督，每次大修嚴(yán)格按照化學(xué)的意見割管分析檢查內(nèi)部腐蝕、結(jié)垢，并根據(jù)化學(xué)的監(jiān)督意見進(jìn)行換管。