锅炉末级过热器爆管原因分析与对策

 引言
国内近来已有容量为1000MW的燃煤机组投产，所配锅炉也趋于大型化。但是一些大型锅炉运行中存在着一些问题，有些甚至限制了机组的出力。针对这些实际的工程问题，相关专家做了大量细致的研究工作，并取得了实效。#3机组锅炉从投产到2008年，末级过热器先后发生4次爆管，经过统计发现其具有以下特点：①每次爆管均发生在管排出口段；②爆口位置材质为钢102；③爆管部分外表面存在明显裂纹。
1 锅炉介绍
元宝山发电有限责任公司#3机组锅炉由哈尔滨锅炉厂生产，为亚临界一次中间再热控制循环汽包炉，型号为HG—2008/18.2—HM3。锅炉为单炉膛，四角布置的摆动燃烧器形成切向燃烧。设计煤种为褐煤，固态排渣。
再热器由三部分组成，分别为辐射再热器、后屏再热器和末级再热器。末级再热器底部距斜坡墙27m，用以必要时增加受热面来调节再热汽温。
2 末级过热器爆管材质分析
之所以选钢102管做锅炉受热面是因为其长期运行组织和性能变化不大。根据末级过热器的爆管特点，对爆管处的钢102管材进行化验分析，结果如表1所示。由表1可知，各化学成分含量均符合GB53lO-95和ASMESA213标准的要求，说明爆管不是因为钢102中的化学成分造成的。
3 爆口检查分析
3.1 爆口宏观检查 以2004年11月05日末级过热器漏泄部位爆口为例：漏泄部位检查情况，末级过热器东数第15排北数第5根管为原始漏泄管，裂纹长约20mm，将裂纹管取下解剖后在管内壁发现存在原始重皮缺陷，长度为110mm，从断口的纹路来看，裂纹起源于管材内壁，裂纹沿重皮处延伸扩展至管外表面。（见图1、2）
3.2 爆口金相分析检测 对锅炉过热器管取样进行金相分析，钢102末级过热器管运行近10万小时的金相分析如图3所示。由图3可知，晶界和晶粒内析出很多的碳化物颗粒板，条边界已远不如供货状态平直，并且大部分都已聚集长大。部分碳化物在晶界上呈链状排列，晶粒内仍有片状组织存在。根据DL/T884.2004非珠光体组织老化评级标准，组织老化评级为3～4级，说明运行期间存在超温，加速了过热器管的老化，生成的氧化皮厚度在0.5mm以上，如图4所示。
3.3 扫描电镜分析 从图5对比可以看出，脱落的氧化皮和从管壁上取下的氧化皮的结构是不一样的，但通过对两者进行能谱分析，发现两者的成分是一致的，柱状区域由Fe和O元素构成，为铁的氧化物；细颗粒区域由Fe、Cr和O元素构成，为具有尖晶石结构的化合物。氧化皮厚度和材料特性、运行时间和运行温度有密切的关系。运行时间和氧化皮的厚度基本呈线性关系。温度对氧化皮厚度的影响呈加速上升的趋势。在温度变化时，金属材料和氧化层都会发生相应的应变，氧化层本身以及母材间的膨胀系数不同，随着应变的增长，氧化层和管壁间的应力和能量也随之增加。当氧化皮应变所积蓄的能量大于该氧化皮脱层而产生新的内表面所需的能量时，就会发生剥落。
4 管排结构分析
末级过热器出口段的材质为钢102，在20℃～550℃范围内钢102的线膨胀系数为14×10-6m/℃，第15排北数第5根长度约16米，在机组正常运行时，其壁温都按进出口的平均温度540℃计算，则第5根的膨胀量为：L7=540×14×10-6×16×103≈12.4mm。由于末级过热器出口管排为单一材质，不存在不同金属之间膨胀不畅的问题，且由于末级过热器出口侧下部弯头与下部延伸包墙之间有300mm左右的距离，保证了正常运行时管排竖直方向的自由膨胀。
5 爆管原因分析
①钢102的化学成份均符合有关标准，不是造成爆管的原因。②安装尺寸符合管材的膨胀要求，在机组运行时不会对管子造成膨胀不畅而产生应力。③由于钢102管材运行时间较长，管子球化严重，而且高温过热器存在超温情况，造成管材组织老化、抗高温氧化能力下降，在机组起停、负荷波动、运行工况变化的交变应力作用下，在重皮和夹层的应力集中处局部强度不足而产生裂纹，裂纹继而扩展至外表面而发生漏泄。由以上分析可知，管材球化是造成爆管的首要原因，机组启停次数较多、负荷波动频繁及工况变化进一步加速了裂纹的发展，最终导致爆管。
6 改造方案及效果
由于目前末级过热器管屏存在原始重皮缺陷，而检验方法又不能全部检出，需要对末级过热器管子进行升级改造，具体措施如下所示：由于T91具有良好的抗氧化性能、抗高温蒸汽腐蚀性能、冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能，能够满足末级过热器的运行要求，因此将末级过热器管排出口段材质由12Cr2MoWVTiB改为T91。通过更换末级过热器管材，基本消除了过热器爆管事故的发生。
7 结论
通过对末级过热器爆管原因的分析，找出了末级过热器爆管的主要原因，并在机组检修中对末级过热器进行了改造升级，#3机组末级过热器出口段改造后至今未发生漏泄，从而验证了原因分析及结论的正确性。所以，要不断摸索出一些有效的措施和方法，使锅炉受热面改造质量得到全面的提高，从而使大型发电机组能够经济、安全的运行，最终使企业效益得以实现。