高温高压锅炉屏式过热器爆管原因分析与故障处理

杨继锐,冀向昆

1 系统简介

邯钢邯宝热电厂由3台60 MW、冲动式、高温、高压、单缸、调整抽气、凝气式汽轮机和3台260 t/h纯烧煤气的高温高压锅炉组成。锅炉采用的是杭州锅炉有限公司制造的高温高压、单汽包、自然循环、集中下降管、采用全膜式壁前吊后支结构形式倒“U”型布置的煤气锅炉，锅炉型号为NG--260/9.8--Q型，过热器出口额定压力为9.8 MPa，过热器出口额定温度为540℃。1#锅炉自2008年10月投运以来，一直运行正常。自2016年2月16日到2016年3月13日，屏式过热器连续发生3次爆管事故，严重影响锅炉安全稳定运行。

2 事故经过概述

2.1 屏式过热器第一次爆管

2016年2月16日，发现1#锅炉屏式过热器有泄露噪音，初步确认为屏式过热器爆管。随后进行停炉冷却，车间技术人员和检修人员进入炉膛查找事故原因，发现屏式过热器“U”型弯处有三根管道爆管。破口有如下特征：一是破口长约20～30 mm，破口处有鼓包现象，破口断面粗糙，不平整，破口边缘是钝边，并不锋利；二是破口附近有众多的平行于破口的轴向裂纹。根据破口特征，认为是屏式过热器长期过热所致，经高压高速汽流冲刷导致壁厚变薄，在700℃高温烟气的烘烤下导致过热爆管。随后对有破口的“U”型屏式过热器管束进行了检修更换，管束更换完毕后，对焊口进行了探伤，锅炉水压实验合格后，启动锅炉正常运行。

2.2 屏式过热器第二次爆管

2016年3月4日，发现1#锅炉屏式过热器有泄露噪音，认为是屏式过热器爆管。随后进行停炉冷却，技术人员再次进入炉膛查找事故原因，发现又是屏式过热器有四根管道爆管，其中上次检修更换的两根新管也在“U”型弯又发生了爆管事故，破口特征和第一次爆管时的相同。但令人疑惑不解的是，距第一次检修运行仅20天，是什么原因导致的屏式过热器频繁爆管呢？工程技术人员认为是屏式过热器在700℃左右的高温下运行，过热器晶体组织发生了变化，耐温性能下降，导致爆管。随后又对“U”型弯爆管的管道进行检修更换，管束更换完毕后，对焊口进行了探伤，锅炉水压实验合格后，启动锅炉正常运行。

2.3 屏式过热器第三次爆管

2016年3月13日，距第二次检修完运行不到72 h,发现1#锅炉屏式过热器又发生爆管事故。结果又是屏式过热器有四根管道爆管，其中上次检修更换的四根新管也在“U”型弯又发生了爆管事故，破口特征和第一次爆管时的相同。这充分说明了前两次分析的原因是不充分的，经专家诊断，查找资料分析原因，扩大故障查找范围，决定对12Cr1MoVG屏式过热器管束进行组织晶体结构的化验，同时隔开集箱手孔，用内窥镜检查屏式过热器集箱的挡板，发现集箱挡板焊口开裂，挡板发生倾倒。

3 解决问题的措施

3.1 对12Cr1MoVG屏式过热器管道试样进行分析

3.1.1 宏观分析

用砂轮截取3个试样部分进行宏观观察，其形貌如图1所示。

图1 试样截面形貌

观察所取三个试样横截面形貌，并测量其管壁尺寸，未发现存有较大差异，外观尺寸见表1。

表1 12Cr1MoVG锅炉管尺寸

因1#过热器试样管不是爆裂处缺陷试样，不足以说明其问题，若壁厚存在较大差异，锅炉管长时间处于高温蒸汽循环工作状态，其锅炉管珠光体组织会完全球化（钢管老化），且在高温循环蒸汽长时间腐蚀的状态下，导致锅炉管堵塞引起爆裂。

3.1.2 光学显微镜分析

从过热、原样、未过热试样分别取横向试样，经制样、磨光、抛光、腐蚀，用光学显微镜观察过热、原样、未过热试样组织，对非金属夹杂物、显微组织和珠光体球化程度等进行分析。

表2为依据GB/T10561-2005的夹杂物评级结果，可见硫化物夹杂含量处于较低水平，最高为1.0级，因此可排除由硫引起的钢管热脆的可能性。同时未发现其它类型的大尺寸夹杂物的存在，可以说明夹杂物对该过热管爆管的可能性很小。

表3为显微组织、珠光体球化级别评定结果。

表2 夹杂物评级结果

表3 显微组织、珠光体球化评级结果

3.1.3 分析与讨论

由上述夹杂物分析结果可以排除由硫化物引起钢管热脆的可能性。宏观观察可发现壁厚不存在较大的差异，也可排除。高温下发生珠光体球化是由于片状是一种不稳定的组织，当温度较高时，原子活动力增强，扩散速度增加，片状渗碳体便逐渐转变为球状，再集聚成大球团。长大的碳化物以球状均匀分布于铁素体晶界和晶内，从而使该处的屈服点、抗拉强度、冲击韧度、蠕变强度和持久强度下降。

3.2 屏式过热器集箱内部检查

用内窥镜检查屏式过热器集箱的挡板，发现集箱挡板焊口开裂，挡板发生倾倒。把12组屏式过热器集箱在挡板处逐个割开，发现第一组、第二组、第四组集箱挡板一侧倾倒，二组、三组、第八组、第九组、第十组集箱一侧挡板出现不同程度裂缝。（挡板实际位置见图2）

图2 屏式过热器集箱内挡板位置

4 原因分析

1#锅炉屏式过热器集箱挡板锅炉厂家安装时只是单面焊接，挡板焊接强度低。运行后锅炉启停次数频繁，挡板在不同温度场中发生热胀冷缩，使挡板在焊缝处产生热交变应力，当交变应力大于焊缝处的屈服极限应力时，导致焊口开裂，使挡板前后产生压差，随着运行时间的增加，挡板在交变应力和前后压差不断增大时发生倾倒；造成过热蒸汽在集箱内部发生“短路”，破坏了蒸汽的正常循环，过热器换热管束蒸汽流量减少，甚至在屏式过热器“U”型弯处出现不流通的“过热蒸汽停滞区”，使屏式过热器换热管在“U”型弯处换热不充分，换热管在高温烟气中因超温而发生爆管事故。（屏式过热器蒸汽流程如图3所示）

图3 屏式过热器蒸汽流程图

高温过热器管在高温高压蒸汽循环时，钢管内壁长时间处于高温高压状态，屏式过热器晶体组织发生变化，珠光体完全球化（钢管老化），珠光体完全球化是管道爆裂根本原因。

5 处理方法

5.1 屏式过热器挡板修复和集箱焊接

把12组屏式过热器集箱在挡板处用气焊逐个割开，对12组屏式过热器24个挡板进行检查更换；焊接挡板结束后，对12组集箱24个破口进行打磨，焊接前对集箱进行预热处理，焊口用R31氩弧焊丝打底,再用R317焊条一次焊接成功，焊口进行热处理且探伤全部合格。集箱挡板恢复正常，集箱焊接质量符合要求。

5.2 更换屏式过热器换热管束

对屏式过热器集箱挡板倾倒的两组过热器换热管进行彻底更换，新管由锅炉厂家提供，确保不再发生因换热管晶体组织发生变化，珠光体完全球化而发生爆管事故。换热管更换完毕后，锅炉水压试验合格，点火升温升压，锅炉能够正常稳定运行。

6 结束语

通过对1#锅炉屏式过热器进行正确合理的检修，截至2017年10月，已连续稳定运行15个月，没有发生屏式过热器爆管的现象；说明1#锅炉制定的检修方案和检修技术标准是可行的。本次事故原因分析与故障处理的方法和过程，要求专业技术人员在解决问题时真正找到故障发生的内在原因。给出的这些问题的处理方法与解决过程，既有普遍性又具有自身的特点，对于国内同类型锅炉用户有一定的借鉴意义。

[1]车得福．锅炉[M]．西安:交通大学出版社，2008.（01）.

[2]白凤臣．工业锅炉设备与运行[M．北京:机械工业出版社，2016.（12）.

[3]程绍兵．锅炉专业基本知识[M]．北京:中国电力出版社，2015．（5）.