电站锅炉过热器管爆管原因分析

刘天佐 赖云亭

摘 要：针对某电站锅炉过热器管在运行时出现泄漏爆管的问题，采用宏观检验、化学成分分析、力学性能测试、金相检验及断口微观分析等手段进行了全面分析与讨论。结果表明：倾斜段焊缝位置的爆口为首爆口，其性质为疲劳开裂，之后蒸汽溢出造成下游垂直段内部蒸汽流量减少，管段温度升高，进而导致下游垂直管段短時过热爆管。

关键词：爆管;过热器管;疲劳开裂;焊接接头

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0174-02

锅炉受热面管的泄漏是造成火电机组非正常停机的最普遍、最常见形式，一般占机组非正常停机事故的50%以上，是长期困扰电力生产的技术难题。近年来，随着机组参数的提高，受热面管的泄漏问题日趋严峻，严重影响了机组的安全性和经济性[1]，因此，备受电厂重视。

某电厂锅炉是由美国Foster Wheeler能源公司（FWEC）设计制造的600MW亚临界燃煤汽包炉。锅炉炉膛上部布置了5片分隔屏式过热器，材质为SA-213T22、TP304H的管子。2018年5月，该机组分隔屏过热器管运行期间发生爆管，经检查发现，分隔屏过热器左数第一屏夹持管4出现两处爆口，分别位于水平段的焊缝位置和蒸汽下游的竖直段位置。两爆口位置材质均为ASME SA-213TP304H。为防止事故重发，电厂随即将本次爆管取下，进行爆管原因分析。

1 理化检验

1.1 宏观检验

图1为本次爆口管爆口宏观形貌。爆口共有两处，一处位于焊缝熔合线位置（记为爆口H），爆口周边管段无明显减薄或胀粗，最后瞬断区有明显宏观塑性变形;爆口部位区域较为平齐，有明显的贝纹线，呈现出疲劳断口的特征[2]。另一处爆口位于蒸汽下游远离焊缝的直管位置（记为爆口Z），爆口呈喇叭状，爆口附近内外壁表面光滑，附近管段有明显胀粗，呈现为短时过热爆口特征[3-4]。

1.2 化学成分

在爆口H附近上游侧和下游侧（与爆口Z相连的管段）分别取样进行化学成分分析，结果见表1。本次爆口管化学成分符合ASME SA-213对TP304H钢种化学成分要求。

1.3 力学性能

在本次失效管两爆口附近取样进行布氏硬度及拉伸性能测试，结果见表2。结果表明，两爆口附近管段硬度及室温拉伸性能均符合ASME SA-213对TP304H钢种性能要求。

1.4 金相检验

图2为本次爆口管两爆口附近取样金相检验照片。爆口H附近两侧母材金相组织均为奥氏体+孪晶，组织老化不明显。爆口Z附近晶粒有拉长变形，晶界有大量蠕变孔洞及微裂纹，并有较多的碳化物在晶界析出;爆口Z背侧金相组织中有较多的碳化物粒子析出，组织轻度老化。

1.5 断口分析

图3为本次爆口H在TESCAN VEGA 5136扫描电子显微镜下的微观形貌。断口宏观上有明显的贝纹线;断裂源区均位于外壁侧，有较多的启裂台阶;断口表面大部分区域已被腐蚀产物覆盖，终断区高倍下微观形貌消失，但扩展区仍可见有清晰的疲劳条带存在，为疲劳断裂的典型特征[5-6]。可见，该断口均为外壁启裂，向内壁扩展的多源疲劳断口。

2 分析讨论

综合上述各项检验结果，爆口管母材化学成分、力学性能、金相组织等均未发现明显的异常，表明本次爆管的发生与材质及焊接关系不大。

焊缝位置爆口H为机械应力和热应力导致的疲劳开裂，并最终引起爆管。本次爆管的两爆口开裂顺序可以依据蒸汽流向得出：焊缝位置首先出现爆管，导致下游蒸汽流量减少，引起下游管壁短时超温过热，从而导致下游直管段爆管。

焊缝位置所在爆口为明显的疲劳开裂，可知该管段在运行过程中存在结构上的拘束应力。而由于焊缝熔合区作为焊缝与母材的连接位置，不可避免的会存在错边、焊缝与母材高度不同、显微组织的差异等结构和性能上的不连续性，因此，熔合区位置应力集中系数较高，疲劳裂纹易在此萌生并扩展。本机组近年启停频繁，管段温度波动较大，结构上的拘束限制了管段的自由膨胀，且焊缝熔合区是焊接接头最易产生应力集中的位置。因此，焊缝熔合区作为疲劳破坏的薄弱位置，最终导致了管段在此开裂并爆管。

3 结论及建议

本次爆管两爆口的先后顺序为：倾斜段的焊缝位置先出现爆口，之后蒸汽从爆口溢出，造成下游垂直段内蒸汽流量减少，管段温度升高，并导致垂直段短时过热爆管。

建议对与爆口相同或相近位置的焊缝进行排查，看是否存在早期裂纹，对发现的裂纹进行及早修复;优化管排结构，减少对管段结构上的约束，从而减少接头的疲劳开裂倾向;通过减少机组启停次数、降低锅炉负荷波动等措施，以降低机组运行中管段内部交变应力。通过上述措施，可在一定程度上减少上述同类型爆管事件的发生，提高机组的安全性。

参考文献

[1] 蔡文河，严苏星.电站重要金属部件的失效及其监督[M].北京：中国电力出版社，2009：105.

[2] 张栋，钟道培，陶春虎，等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2013.

[3] 李彦林.锅炉热管失效分析及预防[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4] 王金星，刘天模，冯大碧，等.热电厂锅炉高温过热器管爆管原因[J].机械工程材料，2009，33（4）：67-69.

[5] 刘献良，张路，赖云亭，等.电站连接螺栓断裂失效分析[J].理化检验（物理分册），2018，54（10）：778-781.

[6] 周平南.高压燃油管开裂分析[J].理化检验（物理分册），2005，41（9）：475-477.