2 過熱器爆管的根本原因及對(duì)策

二十世紀(jì)八十年代初，美國(guó)電力研究院經(jīng)過長(zhǎng)期大量研究，把鍋爐爆管機(jī)理分成六大類，共22種。在22種鍋爐爆管機(jī)理中，有7種受到循環(huán)化學(xué)劑的影響，12種受到動(dòng)力裝置維護(hù)行為的影響。我國(guó)學(xué)者結(jié)合我國(guó)電站鍋爐過熱器爆管事故做了大量研究，把電站鍋爐過熱器爆管歸納為以下九種不同的機(jī)理。

2.1長(zhǎng)期過熱

1.失效機(jī)理

長(zhǎng)期過熱是指管壁溫度長(zhǎng)期處于設(shè)計(jì)溫度以上而低于材料的下臨界溫度，超溫幅度不大但時(shí)間較長(zhǎng)，鍋爐管子發(fā)生碳化物球化，管壁氧化減薄，持久強(qiáng)度下降，蠕變速度加快，使管徑均勻脹粗，最后在管子的最薄弱部位導(dǎo)致脆裂的爆管現(xiàn)象。這樣，管子的使用壽命便短于設(shè)計(jì)使用壽命。超溫程度越高，壽命越短。在正常狀態(tài)下，長(zhǎng)期超溫爆管主要發(fā)生在高溫過熱器的外圈和高溫再熱器的向火面。在不正常運(yùn)行狀態(tài)下，低溫過熱器、低溫再熱器的向火面均可能發(fā)生長(zhǎng)期超溫爆管。長(zhǎng)時(shí)超溫爆管根據(jù)工作應(yīng)力水平可分為三種：高溫蠕變型、應(yīng)力氧化裂紋型、氧化減薄型。

2.產(chǎn)生失效的原因

(1)管內(nèi)汽水流量分配不均；
(2)爐內(nèi)局部熱負(fù)荷偏高；
(3)管子內(nèi)部結(jié)垢；
(4)異物堵塞管子；
(5)錯(cuò)用材料；
(6)最初設(shè)計(jì)不合理。

3.故障位置

(1)高溫蠕變型和應(yīng)力氧化裂紋型主要發(fā)生在高溫過熱器的外圈的向火面；在不正常的情況下，低溫過熱器也可能發(fā)生；
(2)氧化減薄型主要發(fā)生在再熱器中。

4.爆口特征

長(zhǎng)期過熱爆管的破口形貌，具有蠕變斷裂的一般特性。管子破口呈脆性斷口特征。爆口粗糙，邊緣為不平整的鈍邊，爆口處管壁厚度減薄不多。管壁發(fā)生蠕脹，管徑脹粗情況與管子材料有關(guān)，碳鋼管徑脹粗較大。20號(hào)鋼高壓鍋爐低溫過熱器管破裂，最大脹粗值達(dá)管徑的15%，而12CrMoV鋼高溫過熱器管破裂只有管徑5%左右的脹粗。

(1)高溫蠕變型
a.管子的蠕脹量明顯超過金屬監(jiān)督的規(guī)定值，爆口邊緣較鈍；
b.爆口周圍氧化皮有密集的縱向裂紋，內(nèi)外壁氧化皮比短時(shí)超溫爆管厚，超溫程度越低，時(shí)間越長(zhǎng)，則氧化皮越厚和氧化皮的縱向裂紋分布的范圍也越廣；
c.在爆口周圍的較大范圍內(nèi)存在著蠕變空洞和微裂紋；
d.向火側(cè)管子表面已完全球化；
e.彎頭處的組織可能發(fā)生再結(jié)晶；
f.向火側(cè)和背火側(cè)的碳化物球化程度差別較大，一般向火側(cè)的碳化物己完全球化。

(2)應(yīng)力氧化裂紋型
a.管子的蠕脹量接近或低于金屬監(jiān)督的規(guī)定值，爆口邊緣較鈍，呈典型的厚唇狀；
b.靠近爆口的向火側(cè)外壁氧化層上存在著多條縱向裂紋，分布范圍可達(dá)整個(gè)向火側(cè)。內(nèi)外壁氧化皮比短時(shí)超溫爆管時(shí)的氧化皮厚；
c.縱向應(yīng)力氧化裂紋從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋尖端可能有少量空洞；
d.向火側(cè)和背火側(cè)均發(fā)生嚴(yán)重球化現(xiàn)象，并且管材的強(qiáng)度和硬度下降；
e.管子內(nèi)壁和外壁的氧化皮發(fā)生分層；
f.燃燒產(chǎn)物中的S、Cl、Mn、Ca等元素在外壁氧化層沉積和富集。

(3)氧化減薄型
a.管子向火側(cè)、背火側(cè)的內(nèi)外壁均產(chǎn)生厚度可達(dá)1.0～1.5mm的氧化皮；
b.管壁嚴(yán)重減薄，僅為原壁厚的1/3～l/8 ；
c.內(nèi)、外壁氧化皮均分層，為均勻氧化。內(nèi)壁氧化皮的內(nèi)層呈環(huán)狀條紋；
d.向火側(cè)組織己經(jīng)完全球化，背火側(cè)組織球化嚴(yán)重，并且強(qiáng)度和硬度下降；
e.燃燒產(chǎn)物中的S、Cl、 Mn、Ca等元素在外壁氧化層沉積和富集，促進(jìn)外壁氧化。

5.防止措施

對(duì)高溫蠕變型可通過改進(jìn)受熱面、使介質(zhì)流量分配合理；改善爐內(nèi)燃燒、防止燃燒中心偏高；進(jìn)行化學(xué)清洗，去除異物、沉積物等方法預(yù)防。對(duì)應(yīng)力氧化裂紋型因管子壽命已接近設(shè)計(jì)壽命，可將損壞的管子予以更換。對(duì)氧化減薄型應(yīng)完善過熱器的保護(hù)措施。

2.2短期過熱

1.失效機(jī)理

短期過熱是指當(dāng)管壁溫度超過材料的下臨界溫度時(shí)，材料強(qiáng)度明顯下降，在內(nèi)壓力作用下，發(fā)生脹粗和爆管現(xiàn)象。

2.產(chǎn)生失效的原因

(1)過熱器管內(nèi)工質(zhì)的流量分配不均勻，在流量較小的管子內(nèi)，工質(zhì)對(duì)管壁的冷卻能力較差，使管壁溫度升高，造成管壁超溫；
(2)爐內(nèi)局部熱負(fù)荷過高(或燃燒中心偏離)，使附近管壁溫度超過設(shè)計(jì)的允許值；
(3)過熱器管子內(nèi)部嚴(yán)重結(jié)垢，造成管壁溫度超溫；
(4)異物堵塞管子，使過熱器管得不到有效的冷卻；
(5)錯(cuò)用鋼材。錯(cuò)用低級(jí)鋼材也會(huì)造成短期過熱，隨著溫度升高，低級(jí)鋼材的許用應(yīng)力迅速降低，強(qiáng)度不足而使管子爆破；
(6)管子內(nèi)壁的氧化垢剝落而使下彎頭處堵塞；
(7)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，投入減溫水不當(dāng)，噴入過量，造成管內(nèi)水塞，從而引起局部過熱；
(8)爐內(nèi)煙氣溫度失常。

3.故障位置

常發(fā)生在過熱器的向火面直接和火焰接觸及直接受輻射熱的受熱面管子上。

4.爆口形狀

(1)爆口塑性變形大，管徑有明顯脹粗，管壁減薄呈刀刃狀；
(2)一般情況下爆口較大，呈喇叭狀；
(3)爆口呈典型的薄唇形爆破；
(4)爆口的微觀為韌窩(斷口由許多凹坑構(gòu)成)；
(5)爆口周圍管子材料的硬度顯著升高；
(6)爆口周圍內(nèi)、外壁氧化皮的厚度，取決于短時(shí)超溫爆管前長(zhǎng)時(shí)超溫的程度，長(zhǎng)時(shí)超溫程度越嚴(yán)重，氧化皮越厚。