电厂锅炉高温过热器爆管事故分析

电厂锅炉高温过热器爆管事故分析 江苏省电力试验研究所(南 京 210008) 肖向东 江苏省电力建设三公司(江苏镇江 212006) 闻 捷 摘 要 过热器是锅炉 “四管” 爆漏的主要部件,针对某厂高温过热器发生的爆管事故,本文通过一系 列试验研究,分析其爆管原因,并对此提出相应的预防措施。 关键词 锅炉 过热器 爆管事故 爆口 1 概 况 某电厂2号炉系1160t/ h亚临界一次中间再热自 然循环汽包锅炉。1993年10月投入运行,至1997年 1月15日累计运行23694h。1997年1月15日停炉 检修,点火启动4h后,高温过热器进口西侧第一屏外 一圈水平段(材料SA213TP304H ,规格 57mm 8mm)发生爆管。 2 宏观特征分析 爆管爆口呈喇叭形状,沿管子纵向长约91mm ,开 口宽达134mm(图 1) 。 图1 爆口宏观形貌 爆口 边 缘 减 薄 呈 刀 刃 状,边 缘 最 薄 处 仅 为 018mm ,爆口背面壁厚为718mm ,爆口中心处周长为 190mm(图 2) 。 图2 爆口截面形貌 爆口附近内外壁光滑,整个断口呈明显的一次性 拉伸断裂样。 爆管两侧管径有明显胀粗,距爆口末端每隔 100mm测量数据如表1所示。 表1 管径胀粗测量 位置 距爆口末端距离/ mm - 300- 200- 100 爆口 测量 周长 距爆口末端距离/ mm + 100+ 200+ 300 直径/ mm616261190606060 胀粗量/ %78. 876. 15. 35. 35. 3 3 化学成分分析 在爆管段上取样,进行化学元素分析,结果如表2 所示。 表2 化学元素分析 元素CSPSiMnCrNi 实测含量/ % 0. 0760. 0050. 0220. 411. 6018. 519. 76 ASTM213 - 83/ % 0. 04 0. 10 小于 0. 030 小于 0. 040 小于 0. 75 小于 2. 00 18. 00 20. 00 8. 00 11. 00 4 机械性能试验 在爆管段和相邻第二屏外一圈水平段分别取样作 拉伸试验,结果如表3所示。 表3 抗拉强度 位 置 b/ MPa 爆 管 段670 相 邻 段646 ASTM213 - 83515 研究论文 ? 热力发电1999(2) 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 金相微观特征 在爆管上分别取样作金相检查,1号样为爆口中 心处,2号样距爆口末端200mm处,3号样距爆口约 1500mm处。另在相邻的第二屏外一圈水平段取样为 4号样。 观察结果如下: 1号样:整个爆口组织形貌呈明显的拉伸纤维状, 且内壁较外壁更甚,组织为拉长的奥氏体,晶界无析出 物(见图3、4、 5) 。 2号样:组织为不规则的单一奥氏体晶粒。内壁 伴有大量的形变带,晶界无析出物(见图 6) 。 图3 爆口组织(63) 图4 爆口内壁组织(125) 图5 爆口外壁组织(125) 3号样:组织为等轴状的孪晶奥氏体,晶界有析出 痕迹(见图 7) 。 4号样:组织为等轴状的孪晶奥氏体,晶界有析出 物沉积(见图8、 9) 。 1号、2号样抗腐蚀能力较强,氯化铁盐酸溶液几 乎无法浸蚀,必须用王水方能浸蚀出组织。3号、4号 样则不同,用氯化铁盐酸溶液浸蚀十余秒即可。 图6 2号样组织(125) 图7 3号样组织(250) 图8 4号样组织(125) 图9 4号样组织(800) 研究论文 热力发电1999(2) ? “ 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 6 强度校核分析 从爆管材料的化学元素成分试验可知,其与 SA213TP304H一致,排除了错用钢材的可能。根据机 械性能试验的结果,该管材的室温抗拉强度亦是符合 标准要求的。同时,其金相组织亦属正常,所以可认为 该原始管段的材质是符合要求的。 鉴于该爆口属一次性拉伸断口,用无缝钢管爆破 压力公式对其进行强度校核分析。 Pb=b 2S Dpj = 2bS/ ( DW- S) (1) 式中 Pb 爆破压力,MPa b 材料抗拉强度,MPa S 钢管有效壁厚,mm Dpj 钢管平均直径,mm DW 钢管外径,mm 由式(1)可得b=Pb(DW-S) /2S(2) 2号炉主蒸汽压力为17.29MPa ,该高温过热器进 口管段内爆管时压力可近似为17. 29MPa (正常运行 工况该处应略低 ) , 此时该管壁内的最大应力: b= Pb(DW- S) 2S = 51.02MPa 根据J IS G 4311 - 81说明表1,该材料在不同温 度下抗拉强度保证值如表4所示。 表4 抗拉强度保证值 t/450475500525550575600625650675700725750775800 b/ MPa 388381371360346330311290268243218191164136109 根据文献2提供的该材料在不同温度下的机械 性能实测数据如表5所示。 表5 抗拉强度实测值 t/399482538593649704760816 b/ MPa 414 386366334296241186141 将以上两组数据作b-T曲线(图10 ) , 可见两者 在600 以上时呈近似直线关系,若外推(图中虚线部 分 ) , 抗拉强度b为51MPa时在抗拉强度保证值曲线 上相对应的温度是850,在实测数据曲线上相对应 的温度为905。 图10 b-T曲线 7 原因分析 比较1号、2号样和3号、4号样的组织以及它们 的浸蚀情况可见,在爆管前1号、2号样管段被加热进 行了一次重新固溶,其在运行过程中的晶界析出被溶 入基体而使晶界较为纯净,原始的孪晶奥氏体组织亦 被改变。而3号、4号样则无此过程。根据强度校核 分析,可粗略估计该重新固溶温度约在900 以上。 正常运行工况下,该管段附近烟温约为1300, 内部介质温度约540,只有在介质的冷却作用大幅 度降低时,管壁温度才有可能被升至此较高水平。要 使管壁温度达到如此高水平,我们认为有几种可能: (1)管子局部被异物堵塞 ;(2) 锅炉在冷态启动时(该次 爆管在点火启动4h后发生 ) , 一旦点火,受热面即被加 热,垂直布置的高温过热器中若有一定量的积水存在, 在此积水全部被蒸发前,部分过热器管子内几乎没有 蒸汽流过,而是仅仅受到微量蒸发出来的蒸汽所冷却, 其冷却能力很低,所以管壁金属温度接近烟温。若烟 温控制不当,则可能使管壁温度大大超过材料许用温 度。 综上试验分析认为,爆口管段在爆管前短时间内 由于内部介质流动不畅,降低了对该处管壁的冷却作 用,管壁直接被外部烟气加热,温度逐渐升高,管径亦 逐渐胀粗,当由管内压产生的管壁最大应力达到某一 温度下的管材抗拉强度时,即在该温度下发生一次性 破断爆管。 (下转第62页) 研究论文 ? 热力发电1999(2) 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 重新调整N 0 值,再重新进行回归。如果多次调整仍 无法满足,则表明试验数据不符合三参数威布尔分布, 这时可将随机数据取对数,再重复上述步骤,以进一步 检验其是否符合对数正态分布。 表2 电厂用几种耐热钢按威布尔分布参数与线性 相关系数 耐热钢 材名称 疲劳试验时对称 循环应力中 的最大应力/ MPa 威布尔分布 参数 mN0103103 性线相关 系数值 BHW35 2901. 861. 11220. 1240. 946 2501. 781. 13421. 3420. 944 2281. 691. 20622. 4680. 942 SA299 1671. 561. 53823. 2460. 948 1571. 481. 64224. 3560. 945 1481. 461. 78625. 7680. 942 TP304H 1281. 362. 12423. 2480. 954 1241. 332. 18623. 6760. 952 1201. 302. 19823. 8640. 950 TP347H 1301. 372. 11823. 6540. 956 1201. 382. 19823. 7480. 954 1101. 322. 23623. 9160. 951 30Cr2MoV 3001. 9810. 016210. 3260. 968 2901. 8512. 146208. 6780. 966 2801. 7214. 248206. 8760. 964 34CrNi3Mo 3001. 9810. 016210. 3260. 967 2951. 9011. 536209. 8640. 965 2911. 8812. 064208. 6420. 963 AISI403 2401. 7611. 986198. 4360. 965 2351. 7312. 124199. 6480. 963 2301. 7013. 016200. 1240. 961 1Cr12Mo 2451. 7810. 864201. 3460. 969 2421. 7711. 108202. 4280. 967 2401. 7610. 862204. 1460. 965 17-4PH 2461. 7910. 862201. 4680. 974 2441. 7810. 924203. 3240. 972 2431. 7711. 023203. 6840. 970 C422 2251. 661. 26821. 2460. 978 2231. 641. 47621. 3280. 976 2211. 621. 81421. 4260. 974 25Cr2MoV 2271. 681. 22420. 6780. 977 2251. 651. 26821. 2460. 975 2241. 641. 27221. 2640. 973 ZG20CrMoV 1581. 491. 66424. 2560. 978 1551. 471. 68724. 3240. 976 1531. 461. 69424. 4360. 974 20Cr1Mo1TiB 2301. 701. 23420. 4680. 957 2281. 681. 24620. 6580. 954 2261. 671. 25820. 8960. 951 3 按图解与优化相结合的新方法进行 拟合分析程序框图 依上述拟合原理,并采用C语言或其它语言编制 计算程序,用它可简捷地求得拟合结果。三参数威布 尔分布拟合时的功能函数计算流程框图见图1。 4 火电厂用几种耐热钢的疲劳试验数 据分布拟合结果 根据上述拟合原理并利用图示计算程序,对火电 厂中常用的几种耐热钢4,在旋转的纯弯曲和拉压对 称循环情况下的疲劳试验数据,按三参数威布尔分布 进行了拟合处理,其结果列入表1与表2中。 5 结 论 综合以上论述与处理结果可知,采用图解和优化 相结合的方法,对耐热钢疲劳试验数据进行三参数威 布尔分布拟合处理,可使拟合过程得以简化,所得到的 结果更加合理,具有很强的逻辑性和实用性。同时批 量疲劳试验数据的拟合结果与实践证明,威布尔分布 一般都能很好地拟合疲劳寿命数据,而且描述疲劳寿 命统计特征的威布尔分布的斜率即形状参数m 1。 参 考 文 献 1 高镇同 1 疲劳应用统计学 1 北京:国防工业出版 社,1985 2 郑春林,张英会 1 用最优化方法估计威布尔分布的 参数 1 力学与实践 11985(1) 3 王钧利,诸德培 1 疲劳强度数据处理方法探讨 1 全 国第五届疲劳学术会议论文集(二)11991 4 吴世运 1 火电厂金属材料 1 中国电力企业联合会 教育培训中心 11994 作者简介:王文安,武汉水利电力大学教授。主要从事现代固体力学 中损伤力学和断裂力学的研究。 (上接第58页) 8 结论及建议 (1)该爆管系短时间内内部介质流动不畅,管壁温 度很快升高达900 左右,管壁内最大应力达到该温 度下抗拉强度而造成短时过热爆管。 (2)在停炉检修时应切实做好安全防护措施,防止 异物掉入管道内,并做好停炉保养工作,避免管道内积 水。在启动时严格控制炉内烟温,避免管壁温度过高。 研究论文 ? 热力发电1999(2) 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m cessful. THE EN ERG Y LOSS ANAL YSE REAL TIME S YSTEM OF UNITS.Zhang yangping et al (42) The energy loss real-time analyse is a important developing trend of power plant modernization. According to the need of plant to achieve highef2 ficiency operation and management , a real-time energy loss analyse system has been designed. The pratice indicates that this system is effective in improving the operations safety and economy of plant ,thus it would be great advantageous to spread this system. ASSEMBL Y DISTRIBU TED IN TELLIGEN T MONITORIN G S YSTEM AND ITS APPLICA TION IN FAIL2 U RE DIA GNOSIS OF BOIL ER WA TERWALL .Cai Jianguo et al (46) This paper introduces a computer-based montioring system applied to the failure diagnosis of boiler waterwall. According to the principles of inter2 communication pattern , the hardware structure that should be organized for an optimum and minimum instrrmentation system in the light of actual sitration of unit can be elastically designed. Moreover , according to the theory of software engineering , a suit of computer software system , which possesses multifunction like data acquisition &processing ,network protocal &on-line monitoring ,over-limit alarm &failure analysis and graphic display &report forms printing etc ,has been designed. This computer software has many advantages ,such as friendly user interface and high porta2 bility. This computer monitoring system has been successfully applied to Pingwei Power Plant. COMPU TER-BASED PRODUCTIV E AND MANA GEMEN T S YSTEM OF POWER PLAN T. Ju Lincang et al (49) According to the present and future development of the power industry of our country ,a productive management system of power plant has been developed. The connection is built to link the networks of management and productron , by means of which the resources in the production network could be used in management network and the operating proccess of the units could be superised remotely. A real-time analysis can be made then on the economic operation of units so as to guid tneir opertion. And in the mean time ,the generation of different statiaical reports is simplified. EL ECTRICAL CONDUCTIVITY MEASU REMEN T OF HIGH PU RE WA TER B Y D YNAMIC IMPULSE METHOD.Liu Kaipei et al (51) After studying the current methods used for electric conductivity measurement of high pure water , a new method of dynamic impules is proposed in this paper. With the width and ampitude of impulse source changing with the measurements , this method has a better solution to the negative ef2 fects caused by capacity and poliarization of sensors. D EGRADA TION ANAL YSIS AND AN TI-MEASU RES FOR NON-FLAMMABL E OIL USED B Y AN IMPORTED300MW UNITHe Jianrong(54) This paper describes a non-flammable oil system and its operation of an imported300MW unit. Causes of oil degradation were analyzed and an2 timeasures were put forward. SU PERCRITICAL TUB E FAIL U RE ANAL YSIS OF U TILITY BOIL ERXiao Xiangdong Wen Jie (56) This paper presents a study on supercritical tube failure of a utility boiler and proposes some preventive measures against such a failure. A N EW METHOD TO D ETERMIN E THE PARAMETERS B Y WHICH THE PROBABILITY FA TIGU E DAMA GE OF BOIL ER D RUM ACCORDS WITH THE WEIBULL DISTRIBU TION Wang wenan et al (59) Regarding to fatigue damage of boiler drum ,the paper proposes a new method by which shape parameter m ,dimension parameterand position pa2 rameter Nocan be determined when a probability fatigue damage accords with the three parameters Weibull distribution. To calculate the distribu2 tion paramete