一起循环流化床锅炉屏式再热器爆管原因分析

事故分析 一起循环流化床锅炉屏式再热器爆管原因分析 文章编号 ： 1 0 0 4 8 7 7 4 ( 2 0 1 0 ) 0 3 5 9 - 0 5 一 起循环流化床锅炉屏式再热器 爆管原 因分析 王瑜 ， 夏锋社 ( 陕西省锅炉压力容器检验所 ， 西安 7 1 0 0 4 8 ) An a l y s i s o n Tu b e Ex p l o s i o n o f P a n e l Re h e a t e r i n CF B Bo i l e r W ANG Yu， XI A F e n g s h e ( S h a n x i I n s t i t u t e o f B o i l e r a n d P r e s s u r e V e s s e l I n s p e c t i o n ， X i a n 7 1 0 0 4 8 ， C h i n a ) 摘要 ： 通过宏观检查 、 尺寸测量 、 厚度和硬度测定 、 化学成分分析 、 金相分析 、 x衍射分 析 ， 分析了某电厂屏式再 热器管子发生爆管 的原 因 。经分 析爆管 主要是 由于超温运行 使管 子内外 壁产生大量氧化层 ， 并导致管子过热所 致。通过分 析原 因 ， 为 电厂提 出了可行 的改进措施 和建 议 。 关键词 ： 屏式再热器 ； 高温腐蚀 ； 氧化层 中图分类号 ： T K 2 2 7 文献标识码 ： B O前言 某电厂 U G 4 8 0 1 3 7 一M型循环流化床锅炉再 热器系统 由低温再热器和屏式再热器两部分组成。 屏式再 热器 管 材 质 为 1 2 C r l Mo V G， 规格 5 15 to n i ， 再热蒸汽出 口温度 5 4 0。该锅炉 2 0 0 6年 6 月投人使用 ， 累计运行约 7 0 0 0 h后屏式再热器发生 爆管事故 ， 严重影响了机组 的安全可靠运行。经 了 解 ， 该处管子在发生爆管前 ， 其运行记录显示存在超 温运行情况 ， 最高超温运行到 6 2 0 ， 间断性超温时 间约 1 6 0 h 。现对该爆管部位取试样进行分析 ， 以找 出爆管原 因并提出预防措施。 l 试验与结果 1 1宏 观检查 爆管部位所截取的部分试样如图 1 所示。 图 1 试样管子整体外观 破 口处呈喇叭口状 ， 管子周长增加很大 ， 具有明 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 2 2 5 第 一 作 牵 2 0 0 6年硕= 毕业 于 西 技大 学 ， 事锅 炉 压 ， 验检 测工干 1 显的塑性变形。破 口处 内外壁氧化层大部 管子外壁为烟气侧 ， 氧化严重 ， 氧化 1 5 h i m， 氧化皮大量脱落 ， 未脱落部 位有 。 裂纹 ， 如图 2所示 。 图 2外 层 局 部 氧 化 层 管子内壁为蒸汽侧 ， 有厚度均匀的氧1 层厚 度约 1 5 rai n ， 如 图 3 ( a ) 。氧 化 层 分 当的两层 ， 如图3 ( b ) 。金属侧氧化层表面 裂纹 ， 如图 3 ( C ) ； 蒸汽侧氧化层内部组织面 可见有大量气孔 ， 呈海绵状 ， 外表面光滑 。 1 2外观尺寸和厚度检查 将该管子打磨去除氧化层后 ， 采用 u 声波测厚仪 ， 取声速 5 9 0 0 mm s进行厚压 选用 01 0 0 mm型游标卡尺对管子外径 试样外径尺寸、 厚度测量示意 图及结果如 所示。检查结果显示 ： 爆管部位厚度减薄尸 增大 4 0 以上 ； 未爆管部位厚度减薄相 径略有增大 ， 出现胀粗现象。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 0年第 3期 ( 总第 1 2 1 期) 图 4 试样测点部位示意图 表 1 试样外径尺寸及厚度测量结果 ( b )内氧化 ( C )金属侧氧化层表面裂纹 图3 管子 内壁氧化层 硬度值偏低。 在该管子未爆管部位轴向取拉伸试样 ， 在万能 试验机上做机械性能检查 ， 结果见表 2 。 1 3 硬 度及强度检 查 将该管子打磨去除氧化层后 ， 采用 H L N l 1 A 型里氏硬度计测量外表面硬度 ， 结果显示该管子外 表面硬度约H B 9 6 ， 外表面不 同部位硬度变化不大， 表 2 1 2 C r l M0 V G试样机械性能试验结果 机械性能结果显示 ， 该管子 的抗拉强度和屈服 强度均低于 G B 5 3 l 0 1 9 9 5中 1 2 C r l M o V钢的最低 要求， 而塑性却优于标准要求。 1 4 化学成 分 将该管子打磨去除氧化皮后 ， 对其外表面采用 X L T 8 9 8 P S W 型光谱仪进行化学成分分析， 结果如表 3所示 表 3 1 2 C r l Mo V G试样化学成分 G B 5 3 l 0 1 9 9 5中显示 1 2 C r l Mo V G钢 中 C含 量为0 0 8 0 1 5 之问 ， 由表 3中可见该试样 C 含量为 0 0 0 ， 外表面全部氧化脱碳。其他元素成 分符合 G B 5 3 1 0 -1 9 9 5中 1 2 C r l Mo V G化学成分要 求。 1 5金相分 析 将该管子未爆管部位沿周向面截取一环形金相 试样 ， 经抛光 、 4 硝酸酒精溶液浸蚀后置于金相显 微镜下观察金相组织 。整个环面组织为纯铁素体 ， 金属晶粒均匀， 未见明显 的球化组织。可见截面整 个厚度已完全脱碳 ， 与化学成分分析结果和硬度检 查结果一致。 1 6 X衍射分 析 分别将该管 子内、 外壁 的氧化物取下 ， 进行 x 衍射试验分析。将外壁氧化层取下 ， 磨制成 55 m m大小试样 ， 一面抛 光后做成 1号 x衍射试样。 将 内壁氧化层取出磨制成两块 55 m m大小试样 ， 分别抛光金属侧和蒸汽侧 ， 制成 2号 、 3号 X衍射试 样 。 图5所示为 1 号试样外壁氧化层的 x衍射试验 分析结果， 其氧化物主要是由 6 3 的 F e O 和 3 7 F e ， O 组成。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 事故分析 一起循环流化床锅炉屏式再热器爆管原 因分析 6 1 图6所示为 2号试样内壁金属侧氧化层的 x衍 射试验分析结果 ， 其氧化物主要是由 F e O 组成 ， 同 时 x衍射试验还发现有疑似水的结 晶化合 物出现 ， 经烘干后再次经 x衍射试验发现仍存在 ， 后经证实 为少量的 F e 、 C r 、 Mo等元素的尖晶型氧化物存在 。 图 7所示 为 3号试 样 内壁蒸 汽侧 氧化层 的 x衍 射试验分析结果 ， 其氧化物是南 1 0 0 F e O 组成 。 t r r 搿 q 图 6 2号试样 内壁 金属侧 氧化层 x衍射试验分析结果 l t 酗f 嚣 q 图 7 3号试样 内壁蒸汽侧氧化层 X衍射试 验分析结果 2 爆管原因分析 从运行记录审查结果来看 ， 该屏式再热器管子 曾存在超温运行情况， 间断性超温时间约 1 6 0 h ， 最 高超温运行温度到 6 2 0 c c， 而设计温度为 5 4 0 ， 超 温最高达 8 0， 情况严重。根据上述检查结果 ， 结 合运行数据 ， 分析本次爆管产生的原因。 2 1 锅炉受热面的氧化 锅 炉受 热面 管子 的氧化分 为外 表 面氧化 和 内表 面氧化 ， 金属的氧化过程都是通过氧离子 的扩散来 进行的， 属于化学腐蚀 的范畴。若生成 的氧化膜牢 固， 氧化过程就会减弱 ， 金属就得到了保护。如果生 成 的氧化膜不牢固， 那么生成的氧化膜不断剥落， 氧 化过程就会继续下去 ， 在高温情况下尤其如此。 2 2内壁蒸 汽腐蚀 对于管子 内壁 ， 工作汽温在 4 5 0 以上的受热 面管子 ， 铁与水蒸气直接发生化学反应 ， 会生成坚硬 致密的 F e O 保护膜。 4H2 O +3F e F 3 O4+8H 在正常工况下 ， F e O 保护层会 阻止蒸汽对管 子的进一步腐蚀 ， 从而对管子起到保护作用。但当 遇到工况变化异常( 如管子被堵塞、 受热偏差 、 超温 运行等) 时， 使管子 内蒸汽流量减少 ， 管子壁温明显 升高 ， 加之热应力的作用 ， 破坏了原有 F e O 保护膜 的致密性 ， 使得水蒸气透过原有“ 保护膜 ” 和管壁金 属中的铁继续发生反应 ， 从而导致管子壁厚不断减 薄。当蒸汽温度超过 5 7 0 o C时， 反应生成物为 F e O， 反应速度更快。但 由于 F e O是一种黑色粉末 ， 且不 稳定的 ， 若继续加热 ， 就迅速被氧化成 F e O 。当腐 蚀层增厚到一定程度 ， 含 c r 合金钢管材所生成的这 种氧化铁层 ， 如宏观检验所见 ， 会有几乎相等的内外 两层 ， 且蒸汽侧氧化铁层组织疏松 ， 而金属侧氧化铁 层则致密得多。根据 x衍射试验证明， 靠近蒸汽层 是完全 的 F e 。 O 层 ， 而金属侧 除 F e O 层 ， 还存在 F e 、 C r 、 M o等元素 的尖 晶型氧化物 ， 说 明铁素体 中 C r 、 Mo 等元素已随着腐蚀的进行开始向外转移 。 2 3外壁高温氧化( 烟气腐蚀 ) 对于锅炉受热面来说 ， 外表面的氧化是金属和烟 气中的氧、 二氧化碳、 水蒸气等氧化剂产生氧化反应 的结果。金属的氧化腐蚀速度主要取决于金属外层 形成的氧化物能否对金属起保护作用 ， 对于钢材， 如 果外层形成致密的 F e O 氧化层， 就会阻止氧化的进 一 步进行， 保护内层金属 ， 如果外层形成结构疏松、 多 孑 L 且容易分离的 F e O氧化层 ， 就无法阻止氧化的继续 进行 ， 加大金属的损耗。同时， 金属的氧化腐蚀速度 还与灰污成分、 周 围介质的性质有关， 含有腐蚀性物 质 的灰污和周 围介质 ， 对金 属的损耗 比氧化性气 氛下 高得多。另外 ， 金属的氧化腐蚀速度与受热面温度和 烟气温度有关， 也与积灰层和金属氧化膜的温度梯度 有关。温度梯度大， 氧化膜的空隙率增加 ， 减小 了氧 化膜与金属管子间的连接强度 ， 而且火焰中挥发性矿 物质容易向管子表面扩散， 氧化反应加快。因此 ， 金 属表面保护性氧化膜和燃烧产物 中含有的化学元素 是影响锅炉管子高温腐蚀速度的决定性因素。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 工业锅炉 2 0 1 0年第 3期( 总第 1 2 1 期) 分析该段试样的腐蚀原因， 主要有以下三点 ： ( 1 ) 对于循环流化床锅炉 ， 炉膛烟气 中带有大 量未燃尽颗粒 ， 未燃尽颗粒随烟气 流冲刷管子外表 面时， 磨损将加速壁管上保护层的破坏 ， 从而破坏了 由腐蚀产物形成的不太坚固的保护膜 ， 烟气介质便 急剧地与纯金属发生反应， 形成管壁腐蚀。 ( 2 ) 燃煤中硫和硫化物是造成高温腐蚀的又一 主要因素， 大部分锅炉燃煤 中的含硫量一般在 2 左右 ， 而循环流化床锅炉用煤矸石的平均含硫量约 为 4 2 ， 大大超 出普通的锅炉燃煤。炉膛 中的硫 主要以 F e S形式存在 ， 在高温的炉膛环境中： Fe S 2 F e S +S 若管壁周围存在一定浓度的 H s和 s 0 ， 也会 生成 自由的硫原子： 2H2 S+S O2 _ _ + 2 H2 0+3 S 分解 出来的硫 ， 由于缺氧 ， 硫的燃烧和 S O 的形 成比较困难 ， 便与管壁金属又生成 F e S ， 同时硫化氢 也与管壁金属直接作用 ， 形成 F e S ： F e O +H2 S F e S+H2 0 生成的 F e S氧化就生成了 F e 0 ， 将管壁腐蚀 ： 3 F e S +502 + F e 3 04+3S 02 对于该管子来说 ， x衍射试验分析结果， 其氧化 物主要是 由 6 3 的 F e 0 和 3 7 F e O 组成 ， 与上 述分析结 果一致 。 ( 3 ) 由于管子内壁产生 的高温氧化层 ， 遇到 工 况变化较大时会产生开裂并脱落 ， 致使受热面管子 内壁堵塞， 引发或加剧了局部的超温超压 ， 增大了积 灰层和金属氧化膜的温度梯度 ， 从而加重内外壁腐 蚀程度 。 从上述过程可知， 引发该管外壁高温腐蚀的根 本原因是 ： 煤 中含硫量高 ， 未燃尽颗粒随炯气冲刷并 形成局部还原性气氛和该管子管壁温度超温及积灰 层和金属氧化膜的温度梯度较大。 2 4 管子过热脱碳 ( 1 ) 内表面脱 碳 当蒸汽与温度高于4 5 0的铁接触会产生氢原 子。若因蒸汽流速降低致使氢原子不能较快地被蒸 汽带走， 将溶人钢 中， 向内部扩散滞留在晶界处 ， 与 扩散来 的碳原子发生反应并产生脱碳。上述金相分 析结果表明， 近 内表 面已完全脱碳， 碳化物全部消 失， 组织为均匀的纯铁素体， 已完全证明了这一点。 gH +C +CH 所生成的甲烷( C H ) 在晶界不断聚集， 产生很 高的压力， 使晶界开裂， 最终导致爆管。 ( 2 ) 外表面脱碳 根据化学 成分检验 可见 ， 管子表层 碳含量 为 0 0 0 ， 可见管子外壁由于超温引起过热脱碳 。硬 度测定结果显示 ， 外 表面硬度约 H B 9 6 ， 偏低 ， 说 明 脱碳很严重。金相检验结果显示 ， 金相组织为纯铁 素体， 进一步证实整个管子全部脱碳。 由于管子的内外表面直至全壁脱碳 ， 引起管子 的强度降低 ， 机械性能试验结果证 明该管的强度参 数均低于标准要求， 已充分说 明了这一点。从外径 和壁厚检查结果看出， 未爆管部位厚度 已由原来的 5 I l l m减薄至 3 1 m m， 外径由原来 的5 1 m m胀粗至 5 2 6 2 mil l ( 若考虑外壁腐蚀掉的金属量 ， 胀粗值会 更大些) ， 足以说明， 因受内外腐蚀和脱碳的共同作 用 ， 使得管子的承载能力大大降低。 2 5 综合分析 结合损坏特征和以上分析 ， 该爆管事故是由于 超温引起的屏式再热器管子内外壁氧化腐蚀 、 脱碳 综合作用导致的承载能力下降， 最终不能满足强度 要求 ， 在一最薄弱处( 可能存在一环向缺陷) 发生的 塑性破坏。原因主要综合以下三点引起 ： ( 1 ) 管子 内外壁高温腐蚀严重， 形成较厚 的氧 化层 ， 氧化层脱落致使管子壁厚减薄严重； ( 2 ) 管子过热脱碳 ， 致使强度下降 ； ( 3 ) 管子内壁氧化层脱落， 致使局部超温超压 更加严 重。 需要说 明的是 ， 由于在事故发生多 日后才获得 试样， 加之各种原 因， 断 口形貌 已非初始， 使得无法 对断口进行分析 ， 进而确定其断裂机理， 只能在未爆 部 位检查 和试验 ： 3建 议 为了防止此类事故再发生 ， 这里提出几点建议 供参考。 ( 1 ) 管子的脱碳主要是由于过热运行产生 ， 因 此一定要控制好运行温度 ， 避免超温过热运行 ， 同时 也 可控制 内外壁 氧化层厚度 的增加 幅度 。对 于屏 式 再热器管排 ， 要不断完善热工 自动控制系统， 再热器 温度 自动、 负荷控制逻辑不断进行改进 ， 减轻系统温 度的周期性波动幅度和速率。 ( 2 ) 管子氧化层的形成不仅与超温运行有很大 关系， 同时与温度的突然变化有很大关系， 因此 ， 控 制机组启停次数 ， 减缓启停时的升降温速度 ， 以抑制 氧化层 的脱落。比如在机组滑停过程中， 要控制高 温过热器和再热器的出口蒸汽温度的变化率不超过 2 mi n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 事故分析 一起循环流化床锅炉屏式再热器爆管原因分析 6 3 ( 3 ) 控制炉膛温度 ， 避免长时超温运行 ， 并加大 炉膛脱硫力度 ， 减少烟气中的硫含量。 ( 4 ) 加强定期检验 。对 于有超温运行记录的管 排 ， 每次检修时重点进行以下检查 。 外观检查： 重点检查再热器弯头 ( 与斜坡管排间 距) 及直管、 吹灰器附近管排、 穿墙部位、 阻流板、 防磨 板、 管卡等处的磨损 、 腐蚀、 损伤、 鼓包、 变形、 氧化及表 面裂纹情况。当管子外表面有宏观裂纹时， 应予更换。 腐蚀( 包括磨损 ) 检查 ： 对以上部位管排进行壁 厚测量 ， 检查其腐蚀( 磨损 ) 减薄情况。若管子壁厚 减薄到小于强度计算理论壁厚， 或减薄量大于管子 厚度的 3 0 ， 或局部腐蚀深度大于管子厚度的 3 0 时 ， 应予更换 。 胀粗检查 ： 对热负荷高及易产生膨胀鼓包变形 部位进行管径胀粗测量 ， 掌握其胀粗情况 ， 判断其变 形规律。对合金钢 ， 管子外径尺寸大于 2 5 时( 对 碳素钢为 3 5 ) ， 应予更换 。 割管检查 ： 在有代表性部位割管进行金相 、 碳化 物、 硬度 、 尺寸 、 氧化腐蚀 、 内壁垢样分析 以及机械性 能试验 ， 分析判断材料损伤的程度趋势。当外壁氧 化皮厚度超过 0 6 m m， 且晶界氧化裂纹深度( 需进 行金相检验) 超过 5个 晶粒时 ， 应予更换 。 ( 5 ) 对于受热面管子的生产厂家， 也可通过细 化晶粒 、 喷丸处理 、 高铬合金化和预氧化等方法， 来 减轻并消除管子内壁氧化层的形成。醴 参考文献 1 黄伟， 李友庆， 等 6 0 0 MW超临界锅炉高温过热器氧化 皮脱 落爆 管 原 因 分 析及 对 策 J 电力 建 设 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4) 2 胡志宏 ， 丁立新 ， 等4 6 5 t h流化床锅 炉屏式 过热 器爆 管原 因分析 J 华北 电力技术 ， 2 0 0 5 ( 4 ) 3 梁学斌， 何文， 等高温氧化皮的问题探讨和防治 J 华 北 电力技术 ， 2 0 0 7 ( 增 刊 2 ) 4 韩建伟 大型电站锅炉过热器、 再热器超温问题分析及 设计优化 J 电站系统工程 ， 2 0 0 4， 2 0 ( 3 ) 5 樊宏钟， 刘宏波， 等 电站锅炉过热器高温腐蚀成因分析 J 工业加热 ， 2 0 04 ， 3 3 ( 3 ) 6 康达 ， 张 国平 ， 等 浅 析 3 0 0 M W 电站锅炉水冷