锅炉过热器爆管原因分析和对策.doc

2209t/h锅炉过热器爆管原因分析和对策Measure and Analysis of Superheat Tube Crack of 2209t/h boiler （253024）华能德州电厂 王雪亮 于光强 王金海摘要 本文介绍了2209t/h进口锅炉左包覆过热器爆管事故，通过试验和综合分析，找出了爆管的原因，并针对机组状况提出了切实可行的解决过热问题的措施。关键词 包覆过热器 过热原因 改进措施1.前言 华能德州电厂三期工程安装2×660MW进口燃煤发电机组（编号5、6机组），锅炉岛由德国BABCOCK公司设计、制造。锅炉容量2209t/h,为亚临界参数自然循环汽包炉,单炉膛对冲燃烧, 型布置，一次中间再热,平衡通风,固态连续排渣。5锅炉于2002年4月29日点火，在试运行过程中发生两次爆管事故。2002年6月12日标高63米左包覆过热器前联箱炉前数第30根管子爆管，2002年6月15日标高63米左包覆过热器前联箱炉前数第8根管子爆管。爆管材质为SA213 T2(相当于GB5310 12CrMo)，规格为63.5×6.58mm。2.包覆过热器结构简介该锅炉采用背靠背的布置方式，炉膛和后包覆过热器之间不设水平烟道，包覆过热器系统流程如下：从汽包顶部由52根141.3×15.88管子引出的饱和蒸汽进入炉顶进口集箱，经顶棚过热器管至包覆过热器后墙，在包覆过热器后墙标高65950mm处通过设在每根管子上的三通分成两路，一路继续向下经过包覆后墙下段进入低温过热器进口联箱；另一路汇合至包覆侧墙的分配联箱，由分配联箱又将蒸汽分成两路，一路由18根141.3×15.88管子引入包覆左侧墙进口联箱，另一路由14根141.3×15.88管子引入包覆右侧墙进口联箱，通过包覆侧墙，蒸汽进入侧墙下联箱，侧墙下联箱和后墙联箱是相互连通的，系统流程见图1。 节流圈图1 包覆过热器流程3.爆管原因分析3.1 宏观检查情况两次检查发现左包覆过热器分别是前联箱第8、30根管子爆管。第353根管子区域发生严重的变形（向炉内凸）；第318根区域呈波浪型变形。右包覆过热器前联箱第155根管子发生变形，与左侧相比变形较轻。（变形情况见图2）图2 左侧包覆过热器管子变形情况3.2 爆口分析3.2.1 化学元素分析 化学元素含量（）CMnSiPSCrMo爆管样品分析0.160.450.20.0250.0250.60.55ASME SA213 T20.1-0.20.3-0.610.1-0.30.0250.0250.50.810.440.65从元素分析结果看，符合ASME SA213 T2的标准要求。3.2.2 爆口宏观分析3.2.2.1 两次爆管均呈脆性断口，爆口断面粗糙，爆口边缘不锋利，爆口附近存在纵向平行于爆口的小裂纹。见宏观照片3、4。照片3 爆口全貌 爆口尺寸：380×70 照片4 脆性断口局部3.2.2.2 爆口附近内外壁存在氧化皮，厚度约为0.2mm左右。爆口附近管径胀粗明显，其中爆口附近管径为70mm，最大胀粗率为9.4%，超出DL438-2000规程允许的合金钢胀粗率低于2.5%的范围。从以上可以看出，这两个爆口属于长时过热爆口宏观特征。3.2.3 金相组织分析3.2.3.1 爆口附近金相组织为：铁素体+少量珠光体区域碳化物。珠光体中的碳化物多呈球状，并向晶界聚集。晶界上存在蠕变孔洞，球化45级（见照片5）。3.2.3.2 距爆口0.5米向火侧金相组织为：铁素体+珠光体。珠光体的区域分散。珠光体形态尚明显，球化23级（见照片6）。3.2.3.3 右侧包覆过热器前联箱管子变形区域现场金相组织为：铁素体珠光体，组织正常（见照片7）。3.2.3.4 原始管段的金相组织为：铁素体珠光体,组织正常（见照片8）。微观分析结论：原始管段的金相组织正常；爆口附近珠光体组织球化严重，而且晶界上出现蠕变孔洞，属于长时过热爆口组织特征。 照片5 爆口附近的组织 400× 照片6 距爆口0.5米向火面 400× 照片7 右包覆过热器变形区取样 400× 照片8 原始管段组织 400×3.3 爆管原因分析管子在高温下运行时所受到的应力，主要是由过热蒸汽内压力造成的对管壁的切向应力，在这种应力作用下，使管径胀粗。当过热器管在正常的设计应力作用下并于额定温度运行时，管子以正常的蠕变速度发生径向蠕变，当管子超温运行时，即使管子所受应力不变，管子也会加快蠕变速度而发生管径胀粗，随着超温速度的提高，蠕变速度以十倍甚至百倍的速度递增，随着超温时间的增加，在管壁上产生晶间裂纹，晶间裂纹的继续聚集并扩大就形成宏观轴向裂纹，最后比以正常温度、正常压力下少的多的运行时间而开裂爆管。超温运行温度越高，寿命越短，短的只能维持几百小时。从华能德州电厂包覆过热器爆管的金相组织看，在这么短的时间内就出现蠕变孔洞，说明管壁温度已经超过SA213 T2这种材料的许用温度，从而导致管子发生了因长时过热引起的蠕变损伤破坏。4.过热原因分析：4.1 结构方面4.1.1包覆过热器作为炉壁，仅受烟气的单面冲刷，贴壁处烟速较低，对流换热效果差。4.1.2 炉顶棚至后包覆过热器采用了内径为19毫米的节流孔，该节流孔孔径选择偏大，使流向侧包覆的蒸汽流量明显减少。4.1.3 蒸汽从后墙联箱分配到侧包覆前后两个联箱时存在偏差，流向前侧联箱的流量较少。4.1.4 侧包覆采用了管径较大的鰭片管，管内重量流速选择较小。4.1.5 侧包覆管间距较大，该部位单管吸热量较大。4.1.6 由于包覆过热器和水冷壁系统由鰭片连接为一个整体，包覆过热器温度升高使两者产生较大的温差，使包覆过热器两侧管屏发生弓形变形，该部位的管屏存在较大的机械应力。4.2 燃烧方面4.2.1由于锅炉炉膛大量结焦，使锅炉燃烧特性改变，炉膛出口烟温较设计值明显升高，包括侧包覆过热器在内的受热面吸热量较设计值有较大的增加。4.2.2燃用煤质偏离设计煤质，改变了锅炉的燃烧特性。4.2.3为保证屏式过热器、高温过热器、高温再热器汽温在允许范围内，喷入了大量的减温水，使得流过喷水前的包覆过热器、低温过热器的蒸汽流量明显减少。 由于蒸汽流量偏少，对流换热效果差，使得侧包覆过热器的管壁过热，从而使管壁金属产生氧化现象，随着时间的延长，在管子的内、外壁会逐渐形成一定厚度的氧化皮。氧化皮的导热性能很差，特别是内壁的氧化皮，将明显减小管壁的温度梯度，降低管子的传热效率。据有关资料介绍，管子内壁氧化皮厚度每增加0.0254mm，其管壁温度上升12F（1F=0.56）。从左包覆过热器的爆口来看，管子内壁氧化皮达0.2，这会导致管壁温度上升，而形成一个恶性循环，即温度越高，越易产生氧化皮，氧化皮的存在恶化了管壁的导热性能，管壁温度进一步提高，使金属氧化加速，其最后结果使管子寿命大幅度下降。由此可见，解决侧包覆过热器过热问题是防止爆管的关键。5.改进措施与建议5.1 结构调整5.1.1在后包覆过热器下联箱与左、右侧包覆过热器下联箱之间加装连通管。5.1.2 砸除水冷壁部分卫燃带。5.1.3 在侧包覆过热器爆管的变形区域刷涂耐热涂料，减小该部位的传热。5.1.4在侧包覆过热器两侧加装均流圈。5.2 燃烧方面的调整：5.2.1 调整一、二、三次风旋流强度、风压等，优化锅炉燃烧，努力降低炉膛出口烟温，尽最大可能地减少减温水喷水量，增加包覆过热器管通流量。5.2.2 燃用接近设计煤质的煤种。5.3 在侧包覆过热器上加温度测点，实行对该部位温度的适时监控。通过对壁温数据的分析，及时调整运行工况。5.4 在适当的时机，对侧包覆过热器管进行复膜金相，监测该部位管段的组织变化情况。参考资料：1.吴非文 火力发电厂高温金属监督2.Thomas Wardle Creep-rupture assessment of superheater using oxide thickness measurementICOLM2000 China xi an3.华能德州电厂660MW机组培训教材锅炉部分