超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析.pdf

? 第 31 卷 第 1 期 ? 2011 年 1 月 动 ? 力 ? 工 ? 程 ? 学 ? 报 journal of chinese society of power engineering vol. 31 no. 1? jan. 2011? 收稿日期: 2010 ?05 ?28? ? 修订日期: 2010 ?07?16 作者简介: 赵慧传( 1963 ?) , 男, 吉林东丰人, 教授级高工, 主要从事火电厂金属技术监督和研究工作. 电话( t el. ) : e?mail: zhaohc66 126. com. 文章编号: 1674?7607(2011) 01?0069 ?06? ? ? 中图分类号: tk212. 1? ? ? 文献标识码: a ? ? ? 学科分类号: 470. 20 超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析 赵慧传1, ? 贾建民2, ? 陈吉刚2, ? 梁 ? 军1, ? 杨红权3, ? 尹成武3 ( 1. 神华国华( 北京) 电力研究院有限公司, 北京 100069; 2. 西安热工研究院有限公司, 西安 710032; 3. 国华太仓发电有限公司, 太仓 215433) 摘? 要: 为研究超临界锅炉末级过热器爆管的原因, 对 1 台 600 mw 超临界锅炉末级过热器爆管 上游管和相关管样的内壁氧化物的宏观形态、 微观结构, 脱落氧化皮的微观结构、 物相、 各区域的微 观形态和成分等进行了分析. 结果表明: 堵塞末级过热器下弯头造成过热器爆管的脱落氧化皮来自 于 t23/ t91 钢管的 t23 管段内壁, 而非 t 91 管段内壁; t 23 钢管内壁氧化皮为二层结构, 外层为 粗大柱状晶的纯磁铁矿( fe3o4) , 内层为等轴细晶的含 w 和 cr 的尖晶石; 原生氧化皮内层存在一 条或多条沿圆周方向排列的孔洞链, 氧化皮容易沿孔洞链分离, 从而造成氧化皮脱落. 关键词: 超临界锅炉; 过热器; t 23 钢管; t 91 钢管; 蒸汽氧化; 氧化皮脱落 burst cause analysis of final?stage superheater tubes for a supercritical boiler zh a o hui?chuan1, ? jia jian?min2, ? chen ji?gang 2, ? lia ng jun1, ya ng h ong?quan 3, ? yin cheng?w u3 ( 1. shenhua guohua ( beijing) electric power research institute co. , ltd. , beijing 100069, china; 2. xian t hermal power research institute co. , ltd. , xian 710032, china; 3. guohua taicang power plant co. , ltd. , t aicang 215433, china) abstract: in order to find the causes of tube burst failures encountered by the final?stage superheater of a 600 mw supercritical boiler, an analysis was carried out to both macrostructure and microstructure of the oxide scales taken from inner surface of relevant tube samples, and to the microstructure, phase, micro? morphology and composition of fall?off scales. results show that the failure has been caused by oxide scales split off from inner surface at t 23 side of the t 23/ t 91 joint, which blocked the lower elbow of the superheater and finally led to the tube burst. t he scale on inner surface of t23 tube has a two?layer struc? ture, of which the outer layer is the coarse columnar grain fe3o4while the inner layer fine equiaxed spinel, containing w and cr element. one or more hole?chains on inner surface of primitive oxide skin formed a? long the circumference direction are easy to break and cause the oxide skin to fall off. key words: supercritical boiler; superheater; t 23 tube; t91 tube; steam oxidation; falling off of oxide skin ? ? 某厂 8 号锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈 直流炉. 过热器出口压力为 25. 4 mpa, 出口温度为 571 ? . 末级过热器为逆流布置, 共计 82 排, 每排 12 根管, 为冷热段布置. 末级过热器设计材料按壁温由 低到高分别为 t 23、 t91 铁素体钢和 t p347h 奥氏 体钢. 2007 年 6 月 22 日, 该厂 8 号锅炉炉膛内 65 m 标高层泄漏报警, 给水流量异常增大. 停炉检查发现 锅炉末级过热器发生 2 处爆管. 爆管时, 8 号锅炉累 计运行时间约 10 000 h. 1 ? 宏观检查情况 ? ? 一个爆口位于末级过热器出口段右数第 14排、 前数第9 根管、 距顶棚 2 m 处, 爆口呈现短期过热特 征( 图 1( a) ) ; 另一个爆口位于右数第 24 排、 前数第 11 根管、 距顶棚 2. 5 m 处, 爆口部位胀粗特征明显 ( 图 1( b) ) , 割开该爆口下弯管发现内部积聚氧化 皮, 取出约 90 g 的氧化皮剥落物. 蒸汽吹损减薄和 过热胀粗需要更换的管子达 42 根, 利用射线拍片检 查又发现 6 根管子下弯管处有氧化皮堆积 1 . ( a) 爆口一 ( b) 爆口二 图 1? 爆口的宏观形貌 fig. 1? photos of ruptured tube samples ? ? 经初步分析, 认为 8 号锅炉末级过热器爆管的原 因是: 机组启停过程中铁素体钢( t23/ t91) 过热器内 壁氧化皮脱落并在下弯管部位堆积, 导致管子流通截 面减少、 介质流量降低而产生过热, 引起爆管. 脱落的氧化皮来自 t91管段还是 t23管段成为 制定预防措施、 避免事故重复发生的关键技术问题. 2 ? 试验结果与分析 2. 1? 运行管内壁氧化物的宏观形态 利用体视显微镜观察各管样内壁氧化物的宏观 形态并分析氧化皮脱落的方式. 各管样内壁氧化物 的宏观形貌特征见表 1, 宏观形态见图 2 图 12. 表 1? 各管样内壁氧化物的宏观形貌特征 tab. 1? macrostructure of scales taken from various tube samples 管样编号内壁氧化物状态 111) 大片氧化皮脱落、 鼓包状脱落、 鼓包纵向开裂; 氧化皮脱落 后纵向沟槽发生锈蚀. 121) 鼓包状脱落, 鼓包纵向开裂; 鼓包易在内壁纵向凸起棱上生 成, 内圆面上也会产生鼓包. 131)大片氧化皮脱落. 242)未发现氧化皮脱落, 但整个管样内壁存在氧化皮纵向裂纹. 252)未发现氧化皮脱落, 但整个管样内壁存在氧化皮纵向裂纹. 262)未发现氧化皮脱落, 管样内壁氧化物表面呈浅灰蓝色. ? ? 注: 1) 11、 12、 13 为末级过热器 t 23 钢管; 2) 24、 25、 26 为末级 过热器 t91 钢管. 图 2? 11号 t 23 管样的纵剖内壁形貌(管样计算壁温 585 ? ) fig. 2? inner surface appearance of tube t 23 sample no.11 ( calculated metal temperature 585 ? ) 图 3? 11 号 t23 管样纵剖内壁的体视显微镜照片 fig.3? m icrostructure of tube t 23 sample no. 11 图 4? 12号 t 23 管样纵剖内壁形貌( 管样计算壁温 580 ? ) fig. 4? inner surface appearance of t23 tube sample no.12 ( calculated metal temperature 580 ? ) 70 ? ? ? ? 动? 力? 工? 程? 学? 报? ?第 31 卷? 图 5? 12 号 t 23 管样纵剖内壁体视显微镜照片 fig. 5? microstructure of tube t23 sample no. 12 图 6? 13 号 t23 管样纵剖内壁形貌( 管样计算壁温 590 ? ) fig. 6? inner surface appearance of tube t 23 sample no. 13 ( calculated metal temperature 590 ? ) 图 7? 13 号 t 23 管样纵剖内壁体视显微镜照片 fig. 7? microstructure of tube t23 sample no. 13 图 8? 24 号 t91 管样纵剖内壁形貌( 管样计算壁温 610 ? ) fig. 8? inner surface appearance of tube t 91 sample no. 24 ( calculated metal temperature 610 ? ) 图 9? 24 号 t91 管样纵剖内壁体视显微镜照片 fig.9? m icrostructure of tube t 91 sample no. 24 图 10? 25号 t 91 管样纵剖内壁形貌( 管样计算壁温 605 ? ) fig. 10? inner surface appearance of tube t91 sample no. 25 ( calculated metal temperature 605 ? ) 图 11? 25 号 t91 管样纵剖内壁体视显微镜照片 fig. 11? m icrostructure of tube t 91 sample no. 25 图 12? 26号 t 91 管样纵剖内壁形貌( 管样计算壁温 605 ? ) fig. 12? inner surface appearance of tube t91 sample no. 26 ( calculated metal temperature 605 ? ) ? ? 运行管内壁氧化物的宏观形态如下: ( 1) t23钢末级过热器运行管已发生了内壁氧 化皮脱落现象, 脱离形式有大片状和椭圆状; 内壁凸 棱上氧化皮易形成鼓包而脱落, 内圆面上也会形成 氧化皮鼓包而脱落; 鼓包一般呈椭圆状, 氧化皮起包 分离后先沿椭圆的长轴线开裂, 然后氧化皮鼓包脱 离, 在管内壁遗留下椭圆状的脱离斑痕. ( 2) t91钢末级过热器运行管未发生内壁氧化 皮脱落; 24 号和 25 号管样内壁存在许多几乎平行 的纵向氧化皮裂缝, 其产生原因是: 24 号和 25 号管 71 ? 第 1 期赵慧传, 等: 超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析 样是爆破管的上游管段, 管子因严重超温爆破后, 大 量相对温度较低的蒸汽从爆口喷出, 快速冷却管内 壁, 从而导致管内壁氧化皮产生纵向裂缝. 2. 2? 脱落氧化皮的结构和成分 2. 2. 1? 脱落氧化皮的微观结构和厚度 4 片脱落氧化皮样品的氧化物结构和厚度分析 结果见表 2, 脱落氧化皮样品的典型氧化物结构见 图 13 图 16. 表 2? 脱落氧化皮的结构特征和各层厚度 tab. 2? structural features and thickness of each layer of oxide scales 编号氧化皮的结构特征 厚度/ mm 内层外层最外层总厚 1 氧化皮形貌分二层: 内层较疏松、 外层为灰色致密层(最外层为白亮层) . 内层外表 面无白亮层. 0. 050. 040. 010 0. 003 0. 10 2 氧化皮形貌分二层: 内层为灰色疏松层, 其上分布少量白色颗粒; 外层为灰色致密 层( 最外层为白亮层) . 内层外表面有一层断续的极薄白亮层. 0. 050. 060. 0100. 11 3 氧化皮形貌分二层: 内层为灰色疏松层, 其上分布白色颗粒带, 带宽 0. 02 mm; 外 层为灰色致密层( 最外层为断续的白亮块) . 内层外表面有一层很薄的白亮层. 0. 050. 05断续0. 10 4 氧化皮形貌分二层: 内层为灰色疏松层, 其上分布白色颗粒带; 外层为灰色致密层 ( 最外层为断续的白亮块) . 内层外表面有一层很薄的白亮层. 0. 04 0. 050. 04 0. 05断续0. 09 图 13? 1 号脱落氧化皮的微观结构 fig. 13? microstructure of oxide scale falling off from sample no. 1 图 14? 2 号脱落氧化皮的微观结构 fig. 14? microstructure of oxide scale falling off from sample no. 2 图15? 3 号脱落氧化皮的微观结构 fig. 15? microstructure of ox ide scale falling off from sample no. 3 图16? 4 号脱落氧化皮的微观结构 fig. 16? microstructure of ox ide scale falling off from sample no. 4 ? ? 对比分析脱落氧化皮数据和氧化皮结构特征可 看出: ( 1) 脱落氧化皮厚度较薄, 为 0. 09 0. 11 mm. ( 2) 脱落氧化皮结构为二层, 外层孔洞数量少而 尺寸大, 内层孔洞数量多而尺寸小, 内层厚度为 0. 04 0. 05 mm. 由此表明: 氧化物不是沿着内、 外 层之间界面分离而脱落的, 而是在氧化物内层分离 而脱落的 2?4. ( 3) 脱落氧化皮外层的表层( 最外层) 存在不同 厚薄的白亮层( fe2o3层) , 内层外表面有一层很薄 的白亮层或零星的白亮点( fe2o3颗粒) . ( 4) 在内层靠近外层的一侧存在白色颗粒带或 零星的白色颗粒, 经 x 射线能谱分析, 确定白色颗 粒为富 w 区, 这种现象表明: fe 易扩散到外层形成 72 ? ? ? ? 动? 力? 工? 程? 学? 报? ?第 31 卷? fe3o4或 fe2o3, w 的原子半径大, 不易扩散, 因而 沉积在内层, 形成富 w 区. 2. 2. 2? 脱落氧化皮的物相分析 对脱落氧化皮进行人工筛选, 去除异物, 然后用 d/ max2400 型 x 射线衍射仪对内壁脱落氧化物进 行 x 射线衍射结构分析, 结果表明: 脱落氧化皮主 要由 fe3o4和少量的 fe2o3组成. 其中, fe3o4占 87. 54%, fe2o3占 12. 46%. 2. 2. 3? 脱落氧化皮各区域的微观形态和成分 典型的脱落氧化皮微观形态见图 17. 图 17? 脱落氧化皮折断面结构 fig. 17? microstructure of the fall?off oxide scale ? ? 利用 fei quanta 400hv 扫描电子显微镜和 edax?x 射线能谱仪分析脱落氧化皮的内外层各 区域的化学成分, 典型氧化皮折断面和内外表面的 化学成分分析选区位置的电子图像和表面化学成分 半定量分析结果分别见图 18 和表 3. 图 18? 脱落氧化皮折断面扫描电子图像 fig. 18? scanning electron image of the fall ?off oxide scale ? ? 通过分析可以得出: ( 1) 脱落氧化皮折断面结构为二层, 外层为粗 大柱状晶, 内层为等轴细晶. ? ( 2) 氧化皮折断面外层的化学成分仅含有fe 和 o, 可确定氧化皮折断面外层氧化物是纯磁铁矿 ( fe3o4) ; 氧化皮折断面内层的化学成分除含有fe 表 3? 脱落氧化皮各区域 x射线能谱成分分析结果 tab. 3? x ?ray energy spectrum analysis of the fall ?off oxide scale% 谱图?( o)?( v)?( cr)?( fe)?( w) 谱图 124. 300. 332. 1272. 500. 71 谱图 226. 60-2. 0370. 600. 70 谱图 321. 80-1. 0976. 500. 60 谱图 417. 60-82. 40- 谱图 522. 40-77. 60- 和 o 外, 还含有 w、 cr 和 v, 可确定氧化皮折断面 内层氧化物是含 w 和 cr 的尖晶石. 这种现象表明: 脱落氧化皮来自 t 23 钢管内壁. 2. 3? 运行管内壁氧化层的微观结构 2. 3. 1? t23钢管内壁氧化层的微观结构 t23 钢管内壁氧化层的微观结构特征见图 19 图 21. 图 19? t23 钢管的完整二层氧化物 fig. 19? two?layer ox ide scale on inner surface of t23 tube 图 20? t23 钢管内层氧化物的孔洞链 fig. 20? hole?chains in ox ide scale on inner surface of t 23 tube 图 21? t23 钢管的氧化皮沿内层氧化物孔洞链脱落 fig. 21? falling off of oxide scale along hole?chain of t 23 tube 73 ? 第 1 期赵慧传, 等: 超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析 ? ? 从 t23 钢管内壁氧化层的微观结构特征可看 出: t23 钢末级过热器运行管的原生完整二层氧化 物的内层较致密, 但存在一条或多条孔洞链, 孔洞链 沿圆周方向排列; 内壁氧化物容易沿着圆周方向排 列的孔洞链开裂, 从而造成内壁氧化物分离. 2. 3. 2? t 91 钢管内壁氧化层的微观结构 t91 钢管内壁氧化层的微观结构特征见图 22 和图 23. 图 22? t 91 钢管的内层氧化物致密层和疏松层 fig. 22? compact and loose layer of ox ide scale on inner surface of t 91 tube 图 23? t 91 钢管的完整二层氧化物和径向裂纹 fig. 23? radial cracks in a piece of unbroken two?layer scale on t 91 tube ? ? 从 t91 钢内壁氧化层的微观结构特征可看出: ( 1) t 91 钢末级过热器运行管的完整二层氧化物的 内层多细孔, 一般在内层靠基体金属侧存在孔洞链, 孔洞链沿圆周方向排列; 内层氧化物致密带和疏松 带相间存在. ( 2) t91管样氧化层的开裂以径向开裂 为主. 3 ? 结? 论 ? ? ( 1) t 23 钢末级过热器运行管样均发生内壁氧 化皮脱落, 脱离形式有大片状和椭圆状; t91 钢末级 过热器运行管样均未发生内壁氧化皮脱落, 管样内 壁存在许多几乎平行的纵向氧化皮裂缝. ( 2) t23钢管样的原生氧化皮为二层结构: 外 层为具有粗大柱状晶的纯磁铁矿( fe3o4) ; 内层为 ? 具有等轴细晶的含 w 和 cr 的尖晶石; 原生氧化皮 内层存在一条或多条沿圆周方向排列的孔洞链, 氧 化物容易沿孔洞链分离, 从而造成氧化物脱落. ( 3) t 91 钢末级过热器运行管样氧化物内层多 细孔, 靠金属基体侧存在沿圆周方向排列的孔洞链; 内层氧化物致密带和疏松带相间存在; t91 管样氧 化物层的开裂以径向开裂为主, 这有助于氧化层的 热应力和生长应力松弛. ( 4) 脱落氧化皮结构为二层: 外层仅含有 fe 和 o, 内层除 fe 和 o 外, 还含有 w、 cr 和v. 脱落氧化 皮内层含 w 元素, 说明脱落氧化皮来自末级过热器 t 23 钢管内壁, 而非 t91 钢管内壁. ( 5) 此次爆管的根本原因是末级过热器 t 23/ t 91 钢管的 t 23 管段内壁在长期高温蒸汽环境下 生成氧化皮, 机组启停过程中管子的热应力急剧变 化, 导致缺陷( 孔洞链) 多的内层氧化物与基体金属 分离, 大量氧化皮脱落, 顺汽流方向堆积到下弯管出 汽边, 致使管子通流截面减少、 介质流量降低而产生 过热, 最终发生了爆管事故. ( 6) t