高温过热器T92钢爆管原因分析.pdf

第 3 3卷 第 3期 2 0 1 1年 3月 华 宅技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 33 No 3 Ma r 2 0l l 高温过热器 T 9 2钢爆管原 因分析 董 红年 ( 广东大唐 国际潮州发电有限责任公 司 ， 广东 潮州5 1 5 7 2 3 ) 摘要： 对某电厂高温过热器出口段 I 9 2爆管及爆管周围6根对比样分别进行了常温拉力试验和高温拉力试验。结合 现场实际情况 ， 通过试验结果 的对 比和分析 ， 探究此次爆管 的真正原 因， 提出了相应 的措施 ， 以防止爆 管再 次发生 。 关键词 ： I 9 2钢 ； 爆管 ； 原 因分析 ； 拉力试验 ； 热强性 ； 金相组织 ； 过热失效 中图分类号 ： T K 2 2 3 3 2 文献标 志码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 1 J 0 3 0 0 2 4 0 5 1 爆 口特征 某发电公司 4锅炉是哈尔滨锅炉厂有 限公司 生产的单炉膛反 向双切 圆、 丌型布置 、 一次 中问再 热 、 超 超 临 界 变压 运 行 直 流 锅 炉 ， 型 号 为 H G 一 3 1 1 0 2 6 1 5一Y M 2 ， 最大连续蒸汽量为 3 1 1 0 t h ， 过 热器蒸 汽 出 口温 度 为 6 0 5 ， 出 口压力 为 2 6 1 5 MP a 。该锅炉高温过热器沿炉宽方 向有 1 0 0屏 ， 每 屏由 l 6根管绕 制而成 ， 出 口段材质 为 H R 3 C， A一 2 1 3 $ 3 0 4 3 2 ， S A 2 1 3一 q 9 2 ， 具体布置如图 1 所示。 图 1 高 温 过 热 器 出 口段 管 材 质 布 置 图 4锅炉于 2 0 1 0年 8月 2 2日发生爆管 ， 爆 口位 于高压过热器出口侧右数第 5 0屏前往后数第 7根 侧面， 爆 口出现在 1 9 2钢与 H R 3 C钢异接焊 口附近 T 9 2钢侧 ； 爆 口附近管 内外壁均有较厚的黑色氧化 皮 ， 氧化皮沿轴 向裂开 ， 爆 口边缘圆钝不尖锐 ， 无明 显减薄现象 ， 外观呈长期过热特征 ； 爆 口长 5 5 m m、 宽 1 4m m， 爆 口特征如图 2所示。 2 试验数据分析 全定量光谱检狈 4 ： 对右第 5 O排、 第 5 1 排 T 9 2钢 侧、 HR 3 C侧管材及母材 ， 进行 了全定 量光谱检测 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 01 02 0 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 01 1 1 1 图 2爆 口外 观 发现 q 9 2钢侧母材 中 C r ， w 的质量分 数基本符合 q 9 2钢标准要求 ， 但 W 的质量分数偏差较大 ， 最高 达 2 4 1 ， 最低只有 1 3 6 ， 爆管处 w 的质量分数 为 2 0 4 。 ( 1 ) 硬度检测 ： 对 T 9 2钢 焊缝及两侧母材进行 硬度检测 ， 发现 1 5 0 mm长 T 9 2钢管段硬度偏差较 大 ， 最高 的 2 4 1 H B， 最低 只有 1 4 3 H B， D L 4 3 8 -2 0 0 9 火力发电厂金属技术监督规程 规定 ， 1 9 2钢管硬 度在 1 8 0 2 5 0 H B内为合格。 ( 2 ) 内窥镜检测 ： 沿第 5 0排前往后数第 5根对 高压过热器 出口侧集 箱进行 内窥镜检测 ， 发现集箱 内无较大异物 ， 只发现集箱内壁有一片红色的低温 氧化物。 ( 3 ) 常温拉力试验 ： 取爆 口背面 2根 钢管进行 常温下的拉力试验 ， 数据见表 1 。 表 1 常温拉力试验数据 第 3期 董红年： 高温过热器 q 9 2钢爆管原因分析 2 5 ( 4 ) 高温力学性能试验 ： 取爆管附近 被吹伤的 T 9 2钢管 6根， 每根做 3种温度下的性能试验 ， 每种 温度下做 2根钢管的拉力试验 ， 其数据见表 2 表 4 。 表 2 室温下的力学-性能数据 ( 5 ) 在爆管处取纵 向和横向试样 ， 做金相组织 分析 ， 金相组织如图 3图 6所示 ； 取附近 q 9 2管做 金相组织分析， 具体如图 7图 1 0所示 。 图 3 爆管横 向样组 织为马氏体 + 铁 素体 。 晶界 上有蠕变孔洞 图 4 爆管横 向样组 织为马氏体 + 铁 素体 ， 马 氏体 形态 已开始退化 ， 晶界上 出现 大量蠕变孔洞 图5 爆管纵向样组织为马氏体 +铁素体 。 晶界 上 出现大量蠕变孔洞 图6 爆管纵向样组织为马氏体 + 铁素体 ， 晶界 上 出现大量蠕变 孔洞 第 3期 董红年 ： 高温过热器 T 9 2钢爆 管原因分析 2 7 准要求 ， 高温 l生能绝对满足不了标准要求。说明这 根管子由于 自身的性能较低 ， 即使 在正常运行温度 下 ， 也比其他管子容易 出现过热现象 而发生过热失 效。所以， 这根爆管 自身 的性能偏低是此次爆 管的 最根本内在原因。 ( 3 ) 顶棚结构的原因。在高压过热器 区域顶棚 管之问的鳍片未进行焊接 ， 高压过 热器管屏穿顶棚 管也只是用 2块不锈钢点焊进行密封 ， 整体密封是 通过炉顶保温材料实现的 ， 如果保温材料在运 行中 由于管子的膨胀而发生破裂 ， 均会使炉膛的烟灰或 多或少地窜人高温过热器集箱小包 内， 使小包 内温 度超过设计温度 ， 超标的温度会使 T 9 2钢的管壁温 度相 比设计要高 ， 出现过热的几率就 比正常设计下 要高得多。所以， 顶棚密封设计缺 陷造成过热集箱 小包 内温度超标 ， 是此次爆管的外在因素之一。 ( 4 ) 材料差异性 的原 因。材料在轧制 、 热处理 过程中均会 因热处理炉炉型 的不同 、 热处理时管子 在炉内堆放方式的不 同导致温度场的不均匀 ， 从而 造成管子性能的差异。这种差异会或多或少地造成 同一炉批号管子性 能的差异 ， 甚至是 同一根管子不 同部位性能的差异。管子 在炉 内较为恶劣 的环境 下 ， 失效往往在管子性能较为薄弱的区域首先产生 破 坏 。 ( 5 ) 管材热处理原 因。I 9 2钢是通过正火 +高 温 回火处理 ， 组织为回火马氏体 ， 如果热处理参数控 制不好 ， 不但会使钢材组织 中出现组织偏析和混晶 现象， 而且还会 出现 6一F， 冷却速度较慢 ， 甚至会 出现索氏体组织等异常组织 ， 从而损伤材料的性能。 6一F的出现 ， 也会使钢材 的热强性 、 耐腐蚀性等性 能下降。从 高温对 比试 样的金相组织可知 ， 5样 、 6样组织中都有索氏体 ， 明显是热处理时由于冷却 速度太慢 ， 部分或全部组织未转变为马氏体。马氏 体组织中有贯串整个晶粒 的马 氏体板条组织 ， 为过 片层组织 ， 性能不如马氏体。这一点也说明， 材料间 差异性的客观存在是造成管子失效的主要原因。 ( 6 ) 焊接及热 处理的影 响。1 、 9 2钢 由于 9 的 c r 元素和其他合金元素 ， 造成钢材 的焊接性能 比低 合金钢与不锈钢差 ， 同时， 3 9 2钢 的淬硬性 高， 也使 钢材 的焊接性变差。如果焊接工 艺控制不 当， 很容 易造成钢材焊缝 ( 尤其是热影 响区) 出现裂纹类缺 陷。焊后热处理的作用就是最大限度地减少焊缝与 母材问强度偏差 ， 消除焊接应力 ， 去除引起钢材性能 脆化及氢腐蚀 的氢元素。如果热处理工艺控 制不 当 ， 使钢中 6一F不能发生部分转变 ， 焊接应力消除 力度不够 ， 使钢材性能变差。另外 ， 如果保温温度过 高 ， 保温时间过长 ， 也会使焊接接头钢材的硬度和强 度性能下降。老工艺对 1 “ 9 2钢与不锈钢异接焊口不 进行热处理 ， 这样 ， 更加大了焊缝热影响区性能差异 及出现早期失效 的可能 ， 哈尔滨锅炉厂及许多电建 公 司从 2 0 0 9年 5月就开始对这种异接 口进行热处 理， 这样 ， 可部分消除焊接应力和均化组织。而此次 爆 口一端很 明显起于异接 口的热影响区， 所以， 焊接 原因是此次爆管的内在影响因素之一 。 ( 7 ) 异接焊 口 自身原 因。3 9 2钢正常组织为马 氏体 ， 其 中， 主要合金元素 中 c r的质量分数在 9 左右 ， 而 HR 3 C不锈钢 中 C r的质量分数在 2 5 左 右 ， N i 的质量分数在 1 7 左右。合金元素偏差 ， 使 这些元素在高温下 由高浓度 区域 向低 浓度 区域扩 散 ， 并与低合金含量侧钢 中 C元素结合 ， 这样 ， 在不 锈钢侧易出现贫 C r 区而发生晶问腐蚀 ， T 9 2钢侧则 出现低 C区而使 钢材强度降低 ， 同时， 这种异接头 还有性能脆化倾向。虽说 N i 元素及 N i 基焊材在一 定程度上可减少这种影响， 但完全杜绝还不可能 ， 这 也是这类异接头无法消除的弊端之一。 ( 8 ) 运行方面原因。从表 5近期 内运行 主蒸汽 及后屏出口蒸汽温度 的变化趋 势规律可以看出， 从 饱和溶体结构 ， 热态变形时阻力很大 ， 固材料强度也 2 0 1 0年 8 月 1 0日至爆管停炉 ， 运行温度波动较大 。 较高。而索氏体是一种极细珠光体组织 ， 碳化物为 变 化较大的情况有 2次 ， 一次为后屏右侧出口变化 表 5 蒸汽温度变化趋 势 2 8 华 电技 术 第3 3卷 速率为 4 2 5 m i n ， 另一次为后屏右侧 出口变化速 率为 1 0 m i n ， 其余均大于 1 m i n ， 经粗略测算 ， 因为温 度变化 在管壁 上产 生 的附加应 力约为 5 0 MP a和1 1 0 MP a ， 这样大的附加应力很容易造成管壁 的损伤。由于 T P 3 4 7 H不锈钢管 内壁氧化皮与管子 的膨胀系数相差 3 0 ， 在管壁温差变化时很容易发 生脱落， 堵塞管内孔而引起管内介质流动不畅， 管壁 冷却效能降低 ， 会在短期内使管壁温度达到或超过 管材许用温度 ， 导致过热失效 。 ( 9 ) 热偏差影响。因炉型 、 燃烧器布置、 过热器 集箱蒸汽出人方式 、 炉内烟气场 、 热量辐射场等因素 影响， 会造成受热面管屏 间甚至 同一屏不 同管子 间 的热偏差 ， 这种热偏差会直接导致受热面管屏问受 热幅度的差异， 从而造成管子间壁温的差异 ， 进而使 同一材料的管子即使在正常运行工况下， 也会使局 部的管子在超过或接近设计壁温下工作而增加其过 热失效的几率 ， 从 目前已安装的第 6 4排壁温监测 的 壁温数据可以看出， 同一管屏不同管子 的壁温的确 存在壁温不同现象 ， 最大的相差 5 0 c IC。 ( 1 0 ) 管排结构影响。此次爆管在 出 口侧从外 向内数第 7根 ， 由图 1 可知， 从外向内第 71 0根管 对应的管座均为集 箱上斜下 2 5 。 方 向， 这样 的结构 与其他管座相比， 由于氧化皮脱落堵塞管子的几率 要高得多， 因而高温过热器 出口集箱设计成中间出 口且在集箱中。中间管子介质离 出口近， 使得流速 快而容易把异物带走 ， 两侧 由于 中间较快蒸汽流 的 阻滞效应 ， 其流速相对减慢 ， 异物不容易被带走 ， 也 会 因重力作用下落致使弯头发生堵管或使管的通流 作用减弱。一旦出现这种情况 ， 在较短时间内管壁 温度就会 因介质冷却效率下降而迅速上升至极限许 用温度 ， 使管壁的氧化速率迅速提高， 组织老化速度 加快 ， 其高温性能也会快速下降 ， 当强度降至无法满 足正常运行时 ， 会引起管壁过热失效。从 3锅炉 2 次爆管均位于集箱斜下 2 7 5 。 方 向来看 ， 集箱上最 下的管座被异物堵塞几率要 比其他管座堵塞几率高 得多。 ( 1 1 ) 温度 的影 响。可通 过相关 资料进行管壁 温度的推断， 通过如下公式 ， 由内壁氧化层厚度来推 测管子的实际温度 l o g X = 一6 8 3 9 8 6 9+0 0 0 3 8 6 0 T+ 0 0 0 028 3 T l o g t ， 式中： 为氧化层厚度 ； T为列氏温度 ； 为运行时间。 从金相组织分析可知 ， 此次爆管处氧化皮最厚 达0 5 m m， 经推算 ， 爆管时管壁温度接近6 0 0 。温 度越高， 则管壁的氧化速度越快。 5 建议与预 防措 施 ( 1 ) 更改高温过热器区域顶棚结构。顶棚管在 高温过热器区域 ， 采用间距为6 6 7 5 m m的带鳍片管 但未进行焊接的密封形式 ， 该结构的密封性不好 ， 容 易造成集箱小包 内温度超标 ， 增大集箱及管座弯管 T 9 2钢产生过热的倾 向。可以减少高温过热器、 后 屏 区域顶棚管根数 ， 加宽管间距 ， 管间产生焊接鳍片 形式密封 ， 管屏穿墙处采用不锈钢金属伸缩节焊接 密封 ， 这样 ， 可以从根本上解决集箱小包超温 问题 ， 也可以减少 1 92钢的过热几率。 ( 2 ) 联系哈尔滨锅炉厂有关人员对人 口节流孔 进行改造， 改造中要尽可能地减小管屏间的热偏差 ， 减少局部管子壁厚超过或接近设计温度而发生过热 的几率。 ( 3 ) 运行方 面。要尽 可能减少 温度 升降速率 ， 减少温度 的突变 ， 尤其是启 、 停炉时 ， 要严格执行滑 停 ， 控制管壁温升降速率 ， 尽可能地减少管 内氧化皮 的脱落。 ( 4 ) 加大氧化皮的检测及集箱 内窥镜的检查 。 利用停炉机会 ， 加大氧化皮检测力度 ， 尤其是集箱两 侧各 5屏管子的检查 ， 减少 因氧化皮脱落堵塞管 内 孔而导致过热失效的事故 。 ( 5 ) 加大备 品管 验收力度。管子 的差异性 ，