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鍋爐過熱器爆管的根本原因及防止措施

發布時間:2015-10-21  點擊:1131

結合我國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理。 

一、長期過熱 

1.失效機理 

長期過熱是指管壁溫度長期處于設計溫度以上而低于材料的下臨界溫度,超溫幅度不大但時間較長,鍋爐管子發生碳化物球化,管壁氧化減薄,持久強度下降,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致脆裂的爆管現象。這樣,管子的使用壽命便短于設計使用壽命。超溫程度越高,壽命越短。在正常狀態下,長期超溫爆管主要發生在高溫過熱器的外圈和高溫再熱器的向火面。在不正常運行狀態下,低溫過熱器、低溫再熱器的向火面均可能發生長期超溫爆管。長時超溫爆管根據工作應力水平可分為三種:高溫蠕變型、應力氧化裂紋型、氧化減薄型。 

2.產生失效的原因 

(1)管內汽水流量分配不均; 

(2)爐內局部熱負荷偏高; 

(3)管子內部結垢; 

(4)異物堵塞管子; 

(5)錯用材料; 

(6)最初設計不合理。 

3.故障位置 

(1)高溫蠕變型和應力氧化裂紋型主要發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生; 

(2)氧化減薄型主要發生在再熱器中。 

4.爆口特征 

長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。管壁發生蠕脹,管徑脹粗情況與管子材料有關,碳鋼管徑脹粗較大。20號鋼高壓鍋爐低溫過熱器管破裂,最大脹粗值達管徑的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督的規定值,爆口邊緣較鈍; 

b.爆口周圍氧化皮有密集的縱向裂紋,內外壁氧化皮比短時超溫爆管厚,超溫程度越低,時間越長,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存在著蠕變空洞和微裂紋; 

d.向火側管子表面已完全球化; 

e.彎頭處的組織可能發生再結晶; 

f.向火側和背火側的碳化物球化程度差別較大,一般向火側的碳化物己完全球化。 

(2)應力氧化裂紋型 

a.管子的蠕脹量接近或低于金屬監督的規定值,爆口邊緣較鈍,呈典型的厚唇狀; 

b.靠近爆口的向火側外壁氧化層上存在著多條縱向裂紋,分布范圍可達整個向火側。內外壁氧化皮比短時超溫爆管時的氧化皮厚; 

c.縱向應力氧化裂紋從外壁向內壁擴展,裂紋尖端可能有少量空洞; 

d.向火側和背火側均發生嚴重球化現象,并且管材的強度和硬度下降; 

e.管子內壁和外壁的氧化皮發生分層; 

f.燃燒產物中的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、背火側的內外壁均產生厚度可達1.0~1.5mm的氧化皮; 

b.管壁嚴重減薄,僅為原壁厚的1/3~l/8 ; 

c.內、外壁氧化皮均分層,為均勻氧化。內壁氧化皮的內層呈環狀條紋; 

d.向火側組織己經完全球化,背火側組織球化嚴重,并且強度和硬度下降; 

e.燃燒產物中的S、Cl、 Mn、Ca等元素在外壁氧化層沉積和富集,促進外壁氧化。 

5.防止措施 

對高溫蠕變型可通過改進受熱面、使介質流量分配合理;改善爐內燃燒、防止燃燒中心偏高;進行化學清洗,去除異物、沉積物等方法預防。對應力氧化裂紋型因管子壽命已接近設計壽命,可將損壞的管子予以更換。對氧化減薄型應完善過熱器的保護措施。 

二、短期過熱 

1.失效機理 

短期過熱

2.產生失效的原因 

(1)過熱器管內工質的流量分配不均勻,在流量較小的管子內,工質對管壁的冷卻能力較差,使管壁溫度升高,造成管壁超溫; 

(2)爐內局部熱負荷過高(或燃燒中心偏離),使附近管壁溫度超過設計的允許值; 

(3)過熱器管子內部嚴重結垢,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)錯用鋼材。錯用低級鋼材也會造成短期過熱,隨著溫度升高,低級鋼材的許用應力迅速降低,強度不足而使管子爆破; 

(6)管子內壁的氧化垢剝落而使下彎頭處堵塞; 

(7)在低負荷運行時,投入減溫水不當,噴入過量,造成管內水塞,從而引起局部過熱; 

(8)爐內煙氣溫度失常。 

3.故障位置 

常發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(斷口由許多凹坑構成); 

(5)爆口周圍管子材料的硬度顯著升高; 

(6)爆口周圍內、外壁氧化皮的厚度,取決于短時超溫爆管前長時超溫的程度,長時超溫程度越嚴重,氧化皮越厚。 

5.防止措施 

預防短期過熱的方法有改進受熱面,使介質流量分配合理;穩定運行工況,改善爐內燃燒,防止燃燒中心偏離;進行化學清洗;去除異物、沉積物;防止錯用鋼材:發現錯用及時采取措施。 

三、磨損 

1.失效機理 

包括飛灰磨損、落渣磨損、吹灰磨損和煤粒磨損。以飛灰磨損為例進行分析。飛灰磨損是指飛灰中夾帶Si02, Fe03, Al2O3等硬顆粒高速沖刷管子表面,使管壁減薄爆管。 

2.產生失效的原因 

(1)燃煤鍋爐飛灰中夾帶硬顆粒; 

(2)煙速過高或管子的局部煙氣速度過高(如積灰時煙氣通道變小,提高了煙氣流動速度; 

(3)煙氣含灰濃度分布不均,局部灰濃度過高。 

3.故障位置 

常發生在過熱器煙氣入口處的彎頭、出列管子和橫向節距不均勻的管子上。 

4.爆口特征 

(1)斷口處管壁減薄,呈刀刃狀; 

(2)磨損表面平滑,呈灰色; 

(3)金相組織不變化,管徑一般不脹粗。 

5.防止措施 

通常采用減少飛灰撞擊管子的數量、速度或增加管子的抗磨性來防止飛灰磨損,如:通過加屏等方法改變流動方向和速度場;加設裝爐內除塵裝置;杜絕局部煙速過高;在易磨損管子表面加裝防磨蓋板。還應選用適于煤種的爐型、改善煤粉細度、調整好燃燒、保證燃燒完全。 

四、腐蝕疲勞(或汽側的氧腐蝕) 

1.失效機理 

腐蝕疲勞主要是因為水的化學性質所引起的,水中氧含量和pH值是影響腐蝕疲勞的主要因素。管內的介質由于氧的去極化作用,發生電化學反應,在管內的鈍化膜破裂處發生點蝕形成腐蝕介質,在腐蝕介質和循環應力(包括啟停和振動引起的內應力)的共同作用下造成腐蝕疲勞爆管。 

2.產生失效的原因 

(1)彎頭的應力集中,促使點蝕產生; 

(2)彎頭處受到熱沖擊,使彎頭內壁中性區產生疲勞裂紋; 

(3)下彎頭在停爐時積水; 

(4)管內介質中含有少量堿或游離的二氧化碳; 

(5)裝置啟動及化學清洗次數過多。 

3.故障位置 

常發生在水側,然后擴展到外表面。過熱器的管彎頭內壁產生點狀或坑狀腐蝕,主要在停爐時產生腐蝕疲勞。 

4.爆口特征 

(1)在過熱器的管內壁產生點狀或坑狀腐蝕,典型的腐蝕形狀為貝殼狀; 

(2)運行時腐蝕疲勞的產物為黑色磁性氧化鐵,與金屬結合牢固;停爐時,腐蝕疲勞的產物為磚紅色氧化鐵; 

(3)點狀和坑狀腐蝕區的金屬組織不發生變化; 

(4)腐蝕坑沿管軸方向發展,裂紋是橫斷面開裂,相對寬而鈍,裂縫處有氧化皮。 

5.防止措施 

防止氧腐蝕應注意停爐保護;新爐起用時,應進行化學清洗,去除鐵銹和臟物,在內壁形成一層均勻的保護膜;運行中使水質符合標準,適當減小PH值或增加鍋爐中氯化物和硫酸鹽的含量。 

五、應力腐蝕裂紋 

1.失效機理 

這是指在介質含氯離子和高溫條件下,由于靜態拉應力或殘余應力作用產生的管子破裂現象。 

2.產生失效的原因 

(1)介質中含氯離子、高溫環境和受高拉應力,這是產生應力腐蝕裂紋的三個基本條件; 

(2)在濕空氣的作用下,也會造成應力腐蝕裂紋; 

(3)啟動和停爐時,可能有含氯和氧的水團進入鋼管; 

(4)加工和焊接引起的殘余應力引起的熱應力。 

3.故障位置 

常發生在過熱器的高溫區管和取樣管。 

4.爆口特征 

(1)爆口為脆性形貌,一般為穿晶應力腐蝕斷口; 

(2)爆口上可能會有腐蝕介質和腐蝕產物; 

(3)裂紋具有樹枝狀的分叉特點,裂紋從蝕處產生,裂源較多。 

5.防止措施 

防止應力腐蝕裂紋應注意去除管子的殘余應力;加強安裝期的保護,注意停爐時的防腐;防止凝汽器泄漏,降低蒸汽中的氯離子和氧的含量。 

六、熱疲勞 

1.失效機理 

熱疲勞是指爐管因鍋爐啟停引起的熱應力、汽膜的反復出現和消失引起的熱應力和由振動引起的交變應力作用而發生的疲勞損壞。 

2.產生失效的原因 

(1)煙氣中的S、Na、V、Cl等物質促進腐蝕疲勞損壞; 

(2)爐膛使用水吹灰,管壁溫度急劇變化,產生熱沖擊; 

(3)超溫導致管材的疲勞強度嚴重下降; 

(4)按基本負荷設計的機組改變為調峰運行。 

3.故障位置 

常發生在過熱器高熱流區域的管子外表面。 

4.防止措施 

防止熱疲勞產生的措施有改變交變應力集中區域的部件結構;改變運行參數以減少壓力和溫度梯度的變化幅度;設計時應考慮間歇運行造成的熱脹冷縮;避免運行時機械振動;調整管屏間的流量分配,減少熱偏差和相鄰管壁的溫度;適當提高吹灰介質的溫度,降低熱沖擊。

七、高溫腐蝕

1.失效機理

Na2S04等低熔點化合物破壞管子外表面的氧化保護層,與金屬部件相互作用,在界面上生成新的松散結構的氧化物,使管壁減薄,導致爆管。 

2.產生失效的原因

(1)燃料中含有V、Na和S等低熔點化合物; 

(2)局部煙溫過高,腐蝕性的低熔點化合物粘附在金屬表面,導致高溫腐蝕; 

(3)腐蝕區內的覆蓋物、煙氣中的還原性氣體和煙氣的直接沖刷,將促進高溫腐蝕的產生。 

3.故障位置 

高溫腐蝕常發生在過熱器及吊掛和定位零件的向火側外表面。 

4爆口特征 

(l)裂紋萌生于管子外壁,斷口為脆性厚唇式; 

(2)沿縱向開裂,在相當于時鐘面10點和2點處有淺溝槽腐蝕坑,呈鼠啃狀; 

(3)外壁有明顯減薄,但不均勻,無明顯脹粗; 

(4)外壁有氧化垢,呈鱷魚皮花樣,垢中含黃色、白色、褐色產物,垢較疏松,為熔融狀沉積物,最內層氧化物為硬而脆的黑灰色。 

5.防止措施 

防止高溫腐蝕的方法有控制局部煙溫,防止低熔點腐蝕性化合物貼附在金屬表面上;使煙氣流程合理,盡量減少熱偏差;在燃煤鍋爐中加入CaSO4和MgSO4等附加劑;易發生高溫腐蝕的區域采用表面防護層或設置擋板;除去管子表面的附著物。 

八、異種金屬焊接 

1.失效機理及原因 

焊接接頭處因兩種金屬的蠕變強度不匹配,以及焊縫界面附近的碳近移,使異種金屬焊接界面斷裂失效。其中,兩種金屬的蠕變強度相差極大是異種金屬焊接早期失效的主要原因。 

2.故障位置 

常發生在過熱器出口兩種金屬的焊接接頭處,當焊縫的蠕變強度相當于其中一種金屬的蠕變強度時,斷裂發生在另一種金屬的焊縫界面上。 

3.防止措施 

穩定運行是減少異種金屬焊接失效最關鍵的因素;當兩種金屬焊接時,在其中加入具有中間蠕變強度的過渡段,使焊縫界面兩側蠕變強度差值明顯減少;在過渡段的兩側選用性質不同的焊條,使其分別與兩種金屬的性質相匹配。 

九、質量控制失誤 

質量控制失誤是指在制造、安裝、運行中由于外界失誤的因素所造成的損壞。質量控制失誤的原因有:維修損傷;化學清理損傷;管材缺陷(管材金屬不合格或錯用管材);焊接缺陷等。加強電廠運行、檢修及各種制度的管理是防止質量控制失誤出現的有效手段。


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