山西电建检修工程科技有限公司 程学军

某发电公司锅炉型号是DG2060/17.6-II3，最大连续蒸发量为2060t/h，过热蒸汽压力为17.31MPa，额定工作温度为541℃。高温过热器位于水平烟道上方，沿炉膛宽度方向共有60片，沿烟气流向共有两组，第一组U型受热面由10根Φ57管子组成，管子规格为φ57×9、管材为SA-213T91、横向节距S1=1273mm。第二组U型受热面由10根Φ51管子组成，管子规格为φ51×9、管材为SA-213T91、横向节距S2=1278mm，滑动块定位，第一组和第二组在顶部用大小头相连。高温过热器出口集箱设为两个,出口全部在炉左。为减小流量偏差使同屏各管的壁温比较接近，在高过入口联箱处均设置了不同尺寸的节流孔。

某年11月26日21时左右，机组负荷600MW、机组凝补水量由15.3T/h涨至74T/h、汽水偏差70T/h，22时08分汽水偏差涨至110T/h。就地检查发现锅炉水平烟道右侧高过、高再区域异音较大，初步判断为高过或高再受热面管泄漏。于11月27日01时25分机组停运。经检查发现，锅炉高过二级受热面左数第50排迎火侧第10根管子发生爆管，爆口标高约52米。高过第50排迎火侧第10根管子爆管后受冲击力影响变形出列至前包墙处，造成前包墙右数第16排、49.8米高再左数第119排、120排、121排发生不同程度的泄露，前包墙顶部部位的顶棚管有2根不同程度的吹损泄露。

1 爆管、爆口现象描述及分析

爆管现场情况以及爆口宏观形貌：高过二级管第50排迎火侧第10根爆口的宏观特征，爆口沿管子纵向开裂，受管内蒸汽压力的作用爆口的壁厚减薄较多,爆口边缘不锋利，爆口张开较大，爆管破口胀粗明显且沿爆口纵向有裂纹，具有长期过热爆口的宏观特征。高过二级管第50排迎火侧第11根（与第10根组成一个U型弯）标高53米有三处蠕涨，其中一处管子开裂，蠕涨分别为58.8mm、53.55mm、54.8mm，表明管子存在长期过热现象。通过对爆口宏观分析及管子蠕涨分析，该U型管存在长期过热现象。

管材金属元素化学成分含量为：C0.066%、Mn0.498%、S0.009%、Si0.496%、Cr9.371%、Mo0.982%、V0.279%、Nb0.161%、Ni0.00%。

金相检验：在现场爆破管段的不同部分分别进行取样，在实验室金相组织检查对比，试验结果显示取样T91材料中的回火马氏体出现了变化，典型马氏体形态显示不明显，碳化物部分已积聚在一起，并在材料原来的奥氏体中局部晶界位置出现了一些孔洞，组织表现出过热老化的现象。

力学性能：使用专业设备对破损管段进行了材料拉伸、冲击性能检验记录和材料的硬度检测。按照相关标准要求，合金材料T91的硬度检测值理论上应在180～250HB之间。对爆管段附近管壁进行材料硬度检测，结果该段管壁处的硬度平均值在130HB上下，朝介质出口方向管壁材料的硬度值逐渐上升至正常范围，而另一端取样管壁的焊缝及材料热影响区的硬度检测值都在正常要求范围内。

运行参数分析：高过左数第50排没有壁温测点，可参考相邻第51排的壁温情况，壁温测点分别位于第1、4、9、10根，机组启动后，运行中壁温测点未出现超温情况。机组启动时，高过左数第51排温度波动异常，受热面管壁温升过快且温度波动，可能引起管内壁氧化皮的剥落。随后对破损管段的入口联箱连接管座现场进行高清度内窥镜查看，没有发现存在杂物堵塞痕迹。

2 常见超温爆管的原因分析

2.1 局部长期过热

局部长期过热是指过热器管排局部管壁的运行温度长时间处在锅炉的设计值以上，并在金属材料的下临界温度限值之下，过热管壁温虽然不很高但持续时段长，致使过热器管壁附着氧化物变薄，持续效应致使管壁金属蠕变速度增加，金属管径随之膨胀变粗，在承受不住压力的最薄弱位置出现破裂。总结来说造成管排局部管壁过热破裂的表现主要高温蠕变型、应力氧化裂纹型和氧化减薄型[1]。第一种和第二种主要出现在锅炉高温过热器最外圈的迎火面，而第三种主要出现在高温再热器管道内。长期过热破裂管破口形状多数呈现为脆性断口和破裂边缘粗糙、不平整。

2.2 局部短时过热

局部管壁短时过热是指过热器管壁温度超过金属材料下临界温度限值，导致金属材料强度有所降低，在管道内部介质的高温高压作用下发生破裂。短时过热多数发生部位为直接与炉膛火焰接触的过热器管排迎火面或直接受到热辐射的受热面。发生的根本原因是炉膛内燃烧局部温度过高，超过设备设计温度。表现在管道内介质流量分布不均匀，管道内部局部结垢现象严重或存在异物阻塞内径，也可能存在锅炉设备设计时错用强度不够的钢材。短时过热破裂边缘多数塑性变形较大，管径明显变粗，破口边缘明显减薄呈刀刃状。

2.3 汽侧氧腐蚀

指由于管道内部介质中氧百分比含量和酸碱pH值发生变化，对管壁金属腐蚀变薄出现破裂。管内介质由于氧的去极化作用，在电化学反应作用下，管内钝化膜破裂处出现点蚀形成腐蚀介质，在循环应力作用下腐蚀破裂。汽侧氧腐蚀经常发生在水侧，慢慢延伸到金属外表面，一般发生在停炉时发生。

2.4 金属热疲劳

是由于锅炉经常性的启动和停炉，管道内汽膜引起的金属热应力与振动引起的交变应力而出现的金属热疲劳损坏。其原因主要是烟气中的S、Na、V、C1等物质促进金属腐蚀、炉膛由于水、吹灰导致热冲击以及管道超温导致金属材料疲劳强度降低等。金属热疲劳通常发生在烟道高热流区域的管道外表面。

2.5 氧化皮脱落

2.5.1 氧化皮形成原因

高温蒸汽管道内表面生成氧化膜是自然过程，刚开始氧化膜形成较快，形成膜后氧化速度便开始放慢。但随着运行时间的增加，在超温或温度、压力异常波动情况下，由于管道金属母材和氧化膜的热膨胀能力差别较大，管道内壁表面的氧化膜会出现裂纹，裂纹造成管道基体金属直接重新暴露在氧化环境中，从而加速了金属氧化的速度，金属的氧化层开始向双层或多层逐步发展。高温过热器金属材料长期处在高温高压的介质中，随着设备运行时间的增长，管道内壁氧化膜以下的金属基体相应发生贫化。在金属超温或温度、压力异常波动的作用下，金属表面外层氧化物出现细小的裂纹向氧化膜外部扩散，很大程度上降低金属表面在高温下的抗氧化能力。

2.5.2 氧化皮脱落的原因

有关研究显示，在某个温度段金属温度越高氧化皮生长速度就越快。锅炉设备主蒸汽设计温度为541℃，金属在该温度下运行管道内壁氧化皮就会生长，高温氧化皮生长会遵循抛物线规则进行，而T91管材的氧化皮的热膨胀系数与金属基体材料的热膨胀系数有较大差异，在锅炉设备经常性的启动停炉时金属氧化皮很容易脱落(几微米就可脱落)，氧化皮脱落后使金属基材暴露在蒸汽中，而金属初期氧化速度极快，从而形成反复脱落、反复氧化；且脱落的氧化皮堆积降低管道内部蒸汽流量，使其更容易出现温度超高。

随着机组运行日期的增加，管道内壁的氧化膜厚度也相应增加，在锅炉的频繁启动、停炉或升降负荷过程中管道壁温变化幅度很快、很大，因为金属母材和表面氧化膜的热膨胀系数同，金属基体会对表面氧化膜产生不同方向拉或压的作用，这会导致金属表面氧化膜裂开。多层氧化膜累积达到一定厚度后，在温度发生剧烈或多次变化时氧化皮很容易从金属本体剥离。

2.5.3 氧化皮聚积原因

最先从金属表面剥离的氧化皮在管排U型弯的底部停滞，因为机组启动时的蒸汽流量较小、无法将其冲走。脱落的氧化皮不断的积聚，数量较多时，即便在机组启动后有较大的蒸汽流量也很难对其产生扰动并带走，被堵塞的管道壁温出现异常升高，严重情况会造成管道短期超温破裂。在锅炉停运冷却过程中，也会有部分蒸汽凝结成水垢沉积于过热器管排U型管下部掩盖住此处剥落的氧化皮，随着U型管底部的积水逐渐蒸发，此处的金属表面氧化皮一层紧贴着一层，慢慢聚积成核状堵死高温过热器U型管底部管道内径，造成管道短期超温破裂。

3 本次管道超温破裂分析原因

金属材料T9l的金属晶体组织为回火马氏体。当运行中高过管道壁温超过金属材料T91的Ac1点时，在T91金属材料中形成部分的集聚铁素体，奥氏体晶界上碳化物聚集较多。也就是T91金属材料破裂管段金属组织中出现Ac1～Ac3两相区不完全相变的产物，回火马氏体的典型特征消灭，使得T91金属材料的屈服强度、抗拉强度有所降低，导致了T91金属材料的脆性增加，在破裂裂口出现了粗钝的边缘。

管排U型弯内沉积的氧化皮应该是管道内壁氧化皮脱落造成的。在运行中管道内壁在长期高温蒸汽的作用下，金属表面会不断氧化形成连续的氧化皮，由于氧化皮的膨胀能力与金属基体膨胀能力相比差别较大，在温度变化时二者的热胀冷缩变形不一致就造成氧化皮破裂从管道内壁金属表面剥离，而脱落的氧化皮落入U型弯底部并逐渐积累就会造成管道内部堵塞，引起管道内部蒸汽流量降低导致管道壁温过热出现管道破裂。

本次高温过热器爆管主要由管排管壁过热超温引起，而过热超温主要由管道内部蒸汽循环不畅、部分管段节流或异物堵塞造成。异物堵塞主要有两种，一是安装或检修的施工遗留物，另一个是设备本身长期运行自然形成的异物。

施工异物分析：锅炉上次受热面检修换管是2016年4月，机组已稳定运行6个月以上，高过入口联箱或管内存在施工异物堵塞节流孔的可能很小；割第50排高过入口联箱管用内窥镜检查，联箱内部无异物，因此施工异物造成受热面超温爆管可排除。

受热面氧化皮剥落：氧化层剥落主要是金属氧化皮和金属间不同的机械特性造成的，氧化皮层剥落重要的原因是温度突变，过热器管道内壁氧化层剥落情况主要发生在机组启动、停炉过程中，温度变化幅度、速率对氧化皮产生裂缝大小或氧化皮破裂剥落都有影响。氧化皮疏松、剥落后存在管道内或联箱中，致使过热器管道内部通流面积变窄，流过该处的蒸汽流量减少局部降温能力下降，造成过热器管壁过热超温。对高过左数第50排入口联箱割管进行检查，发现联箱内部氧化皮部分剥落，剥落的氧化皮进入管道内形成节流，造成蒸汽流量不均匀，管道局部过热破裂的可能较大。本次高过爆管是由于高过入口联箱氧化皮剥落进入受热面管中，管内蒸汽量减少、管子过热超温引起。

4 总结爆管原因分析应采取的防范措施

4.1 管道金属长期、短时过热预防

针对高温过热造成的管道破裂，应及时分析管道破裂原因并采取对应的措施。针对管道高温蠕变破裂型，尽量积极改进过热器受热面的外观，防止燃烧过程中局部温度过高，让管内蒸汽流速流量均匀分配，并在停炉时及时进行管道内部化学清理，防止外部异物和自身沉积物集聚造成管道局部过热；对于管内氧化裂纹破裂型，多数表示管道金属使用寿命已到、应及时进行更换；对氧化减薄破裂型，要在日常工作中注意对过热器管道的保护。针对管道金属短时过热的具体现象，主要应改进过热面管束的形状和流通，保证内部蒸汽的流速流量分配合理，同时按照相关规定对管道内部进行化学清理，消除管内异物和累积氧化皮。

4.2 管道汽侧氧腐蚀预防

针对管道汽侧氧腐蚀，防止管道内部金属氧化物生成和采取停炉保护措施是关键。对于新炉，启用时应先进行内部化学处理，消除内部少量铁屑铁锈和其他脏物，在受热面管道内壁形成一层保护薄膜；设备运行中应按照制度定期检测内部介质的酸碱度pH值，按照规定适当增加锅炉介质中氯化物和硫酸盐的百分比浓度。

4.3 管道金属热疲劳预防

防止管道金属热疲劳产生最关键的是要防止或减少交变应力的产生，对于容易产生交变应力的集中区域构件应提前采取一定的预防措施，同时尽可能避免锅炉设备的频繁操作，预防设备运行中出现大的强力机械振动，也可通过调整和改变设备运行参数从而减少压力和温度梯度的变化幅度，也减少热偏差和相邻管壁的温度，避免金属材料热冲击。

4.4 检修措施

在日常制度中建立受热面管道防磨防爆检视制度,包括停机时及时进行管内氧化皮测量、设备运行中壁温曲线检查。在设备停运时对管排弯头进行射线检查,确认垂直管排U型弯底部氧化层剥落堆积情况,及时分析管道内壁氧化皮的生成趋势和剥落严重程度；对锅炉高温过热器管排应做到逢停必查，检查内容包括管径局部胀粗检查、局部变形检查、局部磨损检查、壁厚测量检查、管道外壁氧化皮剥落宏观检查、U型弯内部氧化皮堆积情况检查，并建立设备管理台账，及时分析相关数据的发展趋势；锅炉内部管排外表面吹灰时，如吹扫蒸汽温度过低容易造成受热面氧化皮脱落，应将吹灰的蒸汽温度适当提高。

设备运行中，为有效防止受热面异常超温，可适当降低高温过热器壁温超限报警的限制数据，以方便设备运行人员能提前进行扰动和调整；在停机检修时，检查发现管道有泄露、吹伤、壁厚减薄小于理论计算最小壁厚的管道必须及时更换。同时利用先进针对性检测技术对受热面管道内壁氧化皮检测，发现氧化皮脱落堆积严重的管道必须割管处理，必要时更换管道，在割管检修时要及时封堵管口避免异物掉入。

在检修时,发现高温过热器U型弯底部氧化皮聚积较多管段，割下U型弯后用铜棒敲击振动垂直管段，使内壁将要松动的氧化层脱落掉出。U型弯内部清理后，百分之百通球检查合格，重新对口焊接；现场需要更换的管段，按照金属监督规定对新材料进行光谱分析检测确定无误，锅炉受热面T91管材采用填充氩气保护、氩弧焊接，焊接后按照要求进行焊口热处理、无损探伤检验合格。