摘要：經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，末級(jí)過熱器鋼管爆口處金相組織老化，爆口內(nèi)壁氧化物為飽和狀態(tài)，因此管子中異物或氧化物脫落堵塞導(dǎo)致的短時(shí)超溫過熱是鍋爐末級(jí)過熱器爆管的主要原因。應(yīng)查找堵管異物，檢測(cè)鍋爐在啟機(jī)過程中的溫升速率及停機(jī)過程中的冷卻速度，避免類似事故再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：末級(jí)過熱器；爆管；長(zhǎng)期過熱；高溫蠕變；鍋爐檢測(cè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK22 文章編號(hào)：1009-2374（2016）03-0059-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.030

1 概述

2012年9月4日上午10時(shí)，佛山市南海京能發(fā)電有限公司3#爐發(fā)生爆管事故導(dǎo)致緊急停爐，給該廠的正常運(yùn)行帶來較大影響，所幸未造成人員傷亡。

該鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的HG-1100/17.5-YM33型亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、倒U型布置的自然循環(huán)汽包爐，采用煤粉室燃、平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為煙煤。鍋爐前部為爐膛，四周布滿膜式水冷壁。鍋爐尾部豎井為單煙道，噴水減溫控制過熱汽溫及再熱汽溫，連續(xù)固態(tài)排渣，鋼管式空氣預(yù)熱器，全鋼架構(gòu)，高強(qiáng)螺栓連接，露天布置。尾部豎井煙道中交錯(cuò)布置低溫過熱器、單級(jí)省煤器和空氣預(yù)熱器。該爐于2010年1月投入運(yùn)行，至今已運(yùn)行約1.5萬小時(shí)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生爆管事故的管子為末級(jí)過熱器管。由于本次爆管造成過熱器損壞面積較大，為確定末級(jí)過熱器發(fā)生爆管事故的原因，以便采取有效措施避免再次發(fā)生同類事故，廣東省特種設(shè)備檢測(cè)院佛山分院對(duì)爆管的末級(jí)過熱器管進(jìn)行取樣，通過對(duì)樣品進(jìn)行爆口宏觀分析、壁厚測(cè)定、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測(cè)、金相檢驗(yàn)等檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合該爐安裝資料和運(yùn)行記錄等資料，得出了末級(jí)過熱器發(fā)生爆管失效的原因，提出了導(dǎo)致末級(jí)過熱器爆管的三種可能性，并給使用單位提出了相應(yīng)的意見和建議。

2 事故概況

2012年9月4日上午10點(diǎn)，運(yùn)行部告知#3爐可能有地方爆管，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)聽響聲確認(rèn)為末過或末再位置，11點(diǎn)通知運(yùn)行停爐，運(yùn)行申請(qǐng)中調(diào)停爐，11點(diǎn)40分中調(diào)同意停爐，#3爐開始滑參數(shù)停機(jī)，13點(diǎn)11分#3機(jī)缸溫400℃，打閘停機(jī)，悶爐8小時(shí)，當(dāng)晚9點(diǎn)開人孔冷卻。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生爆管事故的管子為末級(jí)過熱器管。

3 檢驗(yàn)內(nèi)容和分析

本次爆管造成多根末級(jí)過熱器管損壞，維修時(shí)從23、24、25排迎火面向里每排割8根1m長(zhǎng)的管子，其中25排第7根割了9100mm長(zhǎng)進(jìn)行了更換。割下來的管子外觀見圖1（a），從圖中可以看出，25-7管的破口最大，位于管排左側(cè)面（屬于向火面），管壁未見明顯減薄跡象。其余管外壁有明顯吹損減薄，管壁減薄最嚴(yán)重的部位有小破口，破口均位于管排右側(cè)面向25-7管大破口位置，由此可判定25-7管破口為主爆口，其余管減薄嚴(yán)重部位出現(xiàn)的小破口均為由主爆口吹損減薄造成的。

為查清主爆口爆管原因，我們截取了主爆口及附近減薄嚴(yán)重的4根1m長(zhǎng)的過熱器管進(jìn)行失效分析，根據(jù)管排位號(hào)對(duì)4根管進(jìn)行編號(hào)，分別標(biāo)記為25-7、25-6、25-8、24-5。

我們對(duì)上述送檢樣品管分別進(jìn)行了爆口宏觀形貌分析、壁厚測(cè)定、脹粗量檢測(cè)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測(cè)、硬度測(cè)定、金相檢驗(yàn)等檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)該鍋爐安裝資料、鍋爐運(yùn)行記錄等相關(guān)資料進(jìn)行了核查。

3.1 爆口宏觀形貌分析

25-7主爆口宏觀形貌見圖1（b）～1（d），破口部位管壁沒有明顯減薄特征，破口附近的管徑有明顯的漲粗跡象，管外壁有一層厚度約為0.8mm的堅(jiān)硬致密的黑色樹皮紋氧化皮，破口周圍的氧化皮已部分剝落，表面有多條與破口平行的縱向皺褶。破口尺寸為105mm×37mm，呈脆性厚唇式形貌，破口斷面粗糙而不平整，邊緣是鈍邊且不鋒利，管內(nèi)壁光滑。從主爆口宏觀形貌來看，呈現(xiàn)脆性開裂，具有典型的長(zhǎng)期過熱爆管特征。

3.2 壁厚測(cè)定

經(jīng)對(duì)送檢樣管外壁進(jìn)行壁厚測(cè)定，測(cè)厚結(jié)果見表1。從測(cè)厚結(jié)果可以看出，25-6、25-8、24-5三根管未吹損部位的最薄壁厚為8.4mm，未發(fā)現(xiàn)明顯減薄，實(shí)測(cè)最小壁厚滿足強(qiáng)度計(jì)算中最小理論計(jì)算壁厚的要求。25-7管破口附近管段最薄壁厚為7.5mm，爆口部位最薄處為6.2mm，實(shí)測(cè)最小壁厚已不滿足強(qiáng)度計(jì)算中最小理論計(jì)算壁厚的要求。

另外根據(jù)廣州帕理檢測(cè)技術(shù)有限公司對(duì)22排～26排管前起1～4根管的測(cè)厚結(jié)果顯示，所測(cè)末級(jí)過熱器管壁均未發(fā)現(xiàn)明顯減薄。

3.3 力學(xué)性能分析

通過對(duì)25-7、25-6兩根樣管進(jìn)行室溫力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2：

從檢測(cè)結(jié)果我們可以看到，發(fā)生爆管的25-7樣管屈服強(qiáng)度值已明顯降低，且接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限；其抗拉強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)最低值低16%，已不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度值也比標(biāo)準(zhǔn)要求最小值低21HB，已不滿足DL/T438-2009中的相關(guān)要求，材料性能退化明顯。25-6樣管力學(xué)性能未發(fā)現(xiàn)異常。

3.4 金相分析

通過對(duì)25-7管爆口橫截面、25-6管橫截面進(jìn)行金相組織分析，金相圖分別見圖2（a）～2（c）和圖2（e）～2（f）。

25-7管爆口橫截面外表面未見蠕變裂紋，但有明顯可見的蠕變孔洞，內(nèi)表面未見蠕變空洞，見圖2（a）；破口部位金相組織為鐵素體+析出碳化物，蠕變損傷已達(dá)到方向性蠕變孔洞級(jí)別，破口外表面呈等軸狀晶粒，見圖2（b）、2（c）；遠(yuǎn)離爆口位置未見蠕變孔洞，珠光體球化級(jí)別為5級(jí)，見圖2（d）；由金相組織分析結(jié)果可知25-7管材質(zhì)已嚴(yán)重劣化。

25-6管橫截面金相組織為鐵素體+珠光體，其球化級(jí)別2.5級(jí)，晶粒度7級(jí)，見圖2（e）；內(nèi)表面邊緣呈半脫碳狀，半脫碳層厚約0.17mm，見圖2（f）。從金相分析可知25-6管金相組織正常，材質(zhì)未發(fā)現(xiàn)劣化。

4 末級(jí)過熱器爆管機(jī)理分析

綜合上述分析我們可知，25-7管爆管是由于長(zhǎng)時(shí)過熱致使管材材質(zhì)劣化并最終導(dǎo)致爆管。長(zhǎng)時(shí)過熱導(dǎo)致爆管的機(jī)理如下：

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AC1，超溫幅度不大但時(shí)間較長(zhǎng)，管子發(fā)生碳化物球化，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。

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。

末級(jí)過熱器管壁在長(zhǎng)期超溫過熱情況下，管子母材中的碳化物及合金元素向晶界等高能量區(qū)域轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致大量碳化物的析出和聚集長(zhǎng)大，并呈鏈狀分布及碳化物的球化現(xiàn)象。晶界上析出的碳化物和其他雜質(zhì)促進(jìn)蠕變孔洞的形成，并最終形成蠕變裂紋，與高溫氧化共同作用，使鋼管的高溫強(qiáng)度和韌性迅速下降，在管內(nèi)亞臨界的過熱蒸汽壓力下導(dǎo)致鋼管脆性爆管。從蠕變空洞和晶粒變形特征可判斷裂紋起源于管外壁的蠕變空洞擴(kuò)展形成的縱向蠕變裂紋和高溫氧化裂紋，并進(jìn)一步向內(nèi)表面擴(kuò)展，材質(zhì)已嚴(yán)重劣化的管子在管內(nèi)蒸汽壓力作用下拉伸脹粗，導(dǎo)致管內(nèi)壁晶粒的拉伸變形，當(dāng)無法承受內(nèi)部蒸汽壓力時(shí)最終產(chǎn)生脆性爆管。

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。根據(jù)爆口特征可知本次末級(jí)過熱器爆管符合高溫蠕變型爆管特征。

5 末級(jí)過熱器25-7管長(zhǎng)期過熱原因分析

長(zhǎng)時(shí)過熱的根源在于長(zhǎng)期超溫運(yùn)行，過熱器管的長(zhǎng)時(shí)過熱是由于冷卻工質(zhì)循環(huán)不夠充分，煙溫過高或材料性能不適應(yīng)實(shí)際工況等原因逐漸形成的，這些不正常條件通常是由下列狀況所造成的：（1）異物堵塞管子；（2）管內(nèi)汽水流量分配不均；（3）鍋爐煙道堵阻造成局部熱負(fù)荷偏高；（4）管子內(nèi)部結(jié)垢、雜質(zhì)而限制管內(nèi)的冷卻工質(zhì)流量并降低傳熱能力；（5）錯(cuò)用材料；（6）最初設(shè)計(jì)不合理。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)本次末級(jí)過熱器爆管有以下五個(gè)特點(diǎn)：（1）本次末級(jí)過熱器爆管位置為從左往右數(shù)第25排，從前向后數(shù)第7根管側(cè)面爆管，爆管位置不在工況最差的最外圈管向火面；（2）爆口宏觀形貌符合長(zhǎng)時(shí)過熱斷口特征，再加上管外壁厚度達(dá)0.8mm的黑色氧化皮，說明該處的末級(jí)過熱器管長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，存在較嚴(yán)重的過熱氧化現(xiàn)象；（3）從壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，25-7管外壁無磨損減薄跡象而只是由于蠕變脹粗導(dǎo)致管壁減薄，附近的管子除吹損部位外壁厚均未發(fā)現(xiàn)明顯的減??；（4）發(fā)生爆管的25-7管的力學(xué)性能已下降至不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而其余管的力學(xué)性能則未發(fā)現(xiàn)異常，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；（5）25-7管金相組織顯示珠光體已嚴(yán)重球化，管外壁出現(xiàn)方向性蠕變空洞，材料劣化嚴(yán)重，其余管的金相組織均未發(fā)現(xiàn)異常。

從上述特點(diǎn)可以確定，出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)過熱的只有25-7管，其余管均未發(fā)現(xiàn)明顯的長(zhǎng)時(shí)過熱跡象。爆管管位具有一定的偶然性，由此可判斷導(dǎo)致25-7管爆管的原因應(yīng)為25-7管過熱蒸汽流量較少所致。

6 結(jié)語

綜上所述，本次末級(jí)過熱器管25-7發(fā)生爆管是由于長(zhǎng)時(shí)過熱引起的，屬于高溫蠕變型長(zhǎng)時(shí)過熱。引起25-7管長(zhǎng)時(shí)超溫過熱最有可能的原因是由于25-7管下彎頭存在異物或彎管圓度超標(biāo)造成管子彎頭處通流面積變小，過熱蒸汽流量變小導(dǎo)致壁溫升高，產(chǎn)生長(zhǎng)期超溫過熱，最終在管子薄弱部位產(chǎn)生泄漏，造成長(zhǎng)時(shí)過熱爆管。

作者簡(jiǎn)介：陳祥龍（1973-），男，廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院佛山檢測(cè)院工程師，研究方向：電站鍋爐。

（責(zé)任編輯：陳 潔）