（热能工程专业论文）2000th锅炉高温过热器氧化皮形成剥离机理分析与综合治理研究.pdf

苤直盔堂王理受监塞 2 0 0 0 t h 锅炉高温过热器氧化皮 形成剥离机理分析与综合治理研究 作者柳扣林 导师周克毅( 教授) 东南大学2 0 0 4 年3 月 摘要 早在上世纪6 0 至7 0 年代，国外就开始重视蒸汽通流部件表面氧化层的形成 与剥离的研究，认为蒸汽通流部件表面氧化层的形成与剥离主要是由运行工况变 化及通流部件的选材等方面因素所决定的，但由于此问题涉及设计选材、机组运 行等多种因素，至今难以全面解决。本文针对扬二电2 0 0 0 t h 锅炉高温过热器爆 管，主要结合现场运行数据，利用试验数据和热力计算校核等方法，分析研究锅 炉高过氧化皮形成、剥离及堵塞机理，探讨从运行控制、设备改造、更换管材等 方面控制氧化皮形成的措施方案，并综合分析进一步寻优。措施方案分短期和长 期两类方案，通过运行控制及短期措旌方案的实施，有效的控制机组运行中超温 值及超温点，减少了管内氧化皮中f e o 的含量，并在机组启停过程中控制管壁温 平稳变化和减少低负荷的运行时间，基本避免了启动过程中高过氧化皮剥离引起 超温爆管事件的发生；正在实施中的优化方案，将使高过管壁温降低1 5 2 0 。c ， 机组供电煤耗降低1 3 9 k w h ，综合经济效益6 0 0 万元，改造成本可在一年内收回， 从根本匕解决氧化皮剥离引起超温爆管问题，减少减温水量、降低排烟温度，避 免氧化皮剥离损伤汽轮机叶片、污染水汽品质、造成主汽门卡涩。 关键词：高过爆管氧化皮剥离炉膛出口烟温均匀性热偏差 壅煎盍堂王矍亟熊塞 a n a l y s i sa n d r e s o l u t i o no nm e c h a n i s mo f f o r m a t i o na n d e x f o l i a t i o n o fo x i d e s c a l ei nh i g h t e m p e r a t u r es u p e r h e a t e r f o r 2 0 0 0 t hb o i l e r s u b m i t t e d b y l i uk o u l i n s u p e r v i s e db y p r o f z h o uk e y i m a r c h2 0 0 4 a b s t r a c t l a s tc e n t u r y , i nt h e1 9 6 0 st o1 9 7 0 s ，f o r e i g ne x p e r t sh a v ed o n es o m er e s e a r c ho n t h em e c h a n i s mo ff o r m a t i o na n de x f o l i a t i o no ft h eo x i d es c a l eo i lt h es u r f a c eo f s t e a m p a s s e dc o m p o n e n t s ，i tw a sf o u n d t h a tt h ef o r m a t i o na n de x f o l i a t i o no ft h eo x i d e s c a l eo nt h es u r f a c eo fs t e a m p a s s e dc o m p o n e n t si sd u et ot h ef a c t so ft h ec h a n g eo f t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o na n dt h em a t e r i a lo ft h es t e a m p a s s e dc o m p o n e n t se t c c a u s e t h ep r o b l e mi n v o l v e sal o to ff a c t ss u c ha st h em a t e r i a lo ft h ec o m p o n e n ta n dt h e o p e r a t i o nc o n d i t i o na n di t i s v e r yh a r dt od e a lw i t h 口3 t h i sa r t i c h es t u d i e sa n d a n a l y z e st h em e c h a n i s mo ff o r m a t i o n ，e x f o l i a t i o na n dc h o k eo ft h eo x i d es c a l ei n b o i l e rs u p e r h e a t e r , a n dp r o p o s e sm e a s u r e si nr e s t r i c t i n gt h ef o r m a t i o no ft h eo x i d e s c a l ei n w a y so fo p e r a t i o nc o n t r o l ，e q u i p m e n t r e t r o f i ta n dr e p l a c e m e n to ft u b e m a t e r i a le t c t h e s em e a s u r e sw i l lb ei m p l e m e n t e di ns t e p sb a s e do ns h o r t t e r mp l a n a n dl o n g t e r mp l a n t h r o u g ho p e r a t i o nc o n t r o la n di m p r o v e m e n to fs h o r t t e r mp l a n ， t h er a n g ea n dd u r a t i o no fo v e r - t e n a p e r a t u r ed u r i n gt h eo p e r a t i o no ft h eu n i t sw i l lb e c o t r o l l e de f f e c t i v e l y , a n df e ec o n t e n ti nt h eo x i d e - s c a l ei n s i d et h et u b ew i l ll o w e r e d ， b yt h ew a yo fe f f e c t i v ec o n t r o l o ft u b et e m p e r a t u r ei nm a n n e ro fs t a b l ev a r i a t i o n d u r i n gu n i t ss t a r t u pa n ds h u t d o w na n dc u t t i n gd o w no p e r a t i n gt i m eu n d e rl o wl o a d c o n d i t i o n ，t h eo c c u r r e n c eo fo v e r - t e m p e r a t u r es u p e r h e a t e rt u b ef a i l u r ea r i s i n gf r o m t h ee x f o l i a t i o no fo x i d e s c a l ei nt h ep r o c e s so fu n i t ss t a r t u p ，i sb a s i c a l l ya b l et ob e a v o i d e d b a s e do na n a l y s i so ft h er e l e v a n tl o n g t e r ms c h e m ea n do p t i m i z a t i o no f t h e m ，t h et u b et e m p e r a t u r eo ft h es e c o n ds t a g es u p e r h e a t e re a r lb ed e c r e a s ea b o u t 1 5 - 2 06 c ，t h ec o s to ft h ec o a lc a nb er e d u c e da b o u ti 3 9 k w h ，a n dt h ee c o n o m y b e n e f i tc a nr e a c ha b o u t6 0 0 0 ，0 0 0y u a n ，a tt h es a m et i m e ，m ec o s to f t h er e t r o f i tc a nb e r e c l a i m e dw i t h i no n e y e a r t h r o u g hr e t r o f i t ，w ec a n a l s ou l t i m a t e l ys o l v et h ep r o b l e m o fs u p e r h e a t e rt u b ef a i l u r ec a u s e db yt h ee x f o l i a t i o no fo x i d e s c a l e ，i n c l u d i n g ， d e c r e a s eo ft h ea t t e m p e r a t i n gw a t e rf l o w , a n de x i t i n gf l u eg a st e m p e r a t u r ed r o p sw i l l b et h o r o u g h l yr e s o l v e d ，a n di tw i l lb ea l s oa v o i d e dt h a td a m a g e st ot u r b i n eb l a d e s ， d e c r e a s e st os t e a mq u a l i t ya n db l o c k sm a i ns t o pv a l v e ，a r i s i n gf r o mt h ee x f o l i a t i o no f o x i d es c a l e k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r es u p e r h e a t e r t u b ef a i l u r et h ee x f o l i a t i o no fo x i d e s c a l e f e t g u n i f o r m i t y h e a td e v i a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：皇业：； 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许沦 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：毕导师签名：掣日期： 畦 辫 东南大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近2 0 年来，中国电力工业取得了迅猛的发展。新的技术和材料在锅炉的设计和制造中 取得了广泛应用。随着蒸汽温度和单机容量的提高，锅炉爆管已成为电厂可靠性降低的首 要原因。据我国1 9 9 7 年在全国i o o m w 及以上电站锅炉可靠性统计，锅炉非计划停运中四 管泄漏占5 4 8 ，居机组非计划停运原因的首位，其中过热器约占1 3 ，根据北美电力可靠 性委员会( n e r c ) 发电可用率数据库系统( g a d s ) 资料亦随明“四管泄漏”中约3 0 为过 热器管子故障。燃煤锅炉的恶劣工作条件是造成这些故障的主要原因，应力、温度、腐 蚀、磨损和振动等的综合影响使管材变质，氧化的作用及不清洁的水质等造成的腐蚀会减 薄管壁厚度，缩短管子应有的工作寿命，甚至管内氧化皮在一定条件下剥离堵塞管子导致 短期爆管。过热器内部生成的氧化膜由于金属机体与氧化膜的膨胀系数不一致，在冷热循 环交替的情况下易剥离，损伤汽轮机叶片、污染水汽品质、造成主汽门卡涩，若其堆集到 铜管的弯头处，引起过热爆管。 1 2 国内外现状 早在上世纪6 0 至7 0 年代，国外就将蒸汽通流部件表面氧化层的形成与剥离作为重点 进行过研究，结果认为蒸汽通流部件表面氧化层的形成与剥离主要是由运行工况变化及通 流部件的选材等方面因素所决定的。近期研究还认为，蒸汽通流部件表面氧化层的形成与 剥离问题在不同的水工况条件下没有区别，但由于此问题涉及设计选材、机组运行等多种 因素，目前难以全面解决“3 。在我国火力发电厂亦曾发生过许多大机组过热器、再热器管 堵塞爆管、主汽门卡涩和汽轮机部件的固体颗粒侵蚀问题，造成了机组可用率降低和经济 损失。虽然己采取了不同方式的处理，但就其产生原因、规律及防治措施还未进行专门系 统的研究。可以预见随着机组向超临界甚至超超临界参数发展，此类问题将会更为突出。 13 论文研究内容 扬州第二发电有限责任公司( 以下简称扬二电) 一期工程两台6 0 0 m w 机组配置锅炉为 亚1 临界、前后墙对冲自然循环锅炉，分别于i 9 9 8 年和1 9 9 9 年投入商业运行。在商业运行 东南大学工程硕士论文 2 0 0 0 0 小时后，便开始在二级过热器处出现爆管现象。经爆管外观及初步检测，确定主要 原因是管内氧化皮脱落导致爆管，已较为严重地影响了机组安全健康稳定运行。 本文在分析研究锅炉高过氧化皮形成、剥离及堵塞机理的基础上，结合机组实际燃用 煤种特性、原主要设计数据、炉膛结构尺寸、运行数据、试验数据等，分析锅炉设计存在 的主要问题，建立符合研究对象特点的热力计算校核程序，定量分析氧化皮形成及炉膛出 口温度高的主要原因，探讨从运行控制、设备改造、更换管材等方面控制氧化皮形成的措 施、综合治理方案，并综合分析进一步寻优提出最佳方案达到如下目的。 ( 1 )通过运行控制及短期措施方案的改进，有效的控制机组运行中超温值及超温点，减 少管内氧化皮中f e o 的含量，在机组启停过程中控制管壁温平稳变化并减少了在低负荷的 运行时间，基本能避免启动过程中高过氧化皮剥离引起超温爆管事件的发生。 ( 2 )从根本上解决氧化皮剥离引起超温爆管、减少减温水量、降低排烟温度，避免氧化 皮剥离损伤汽轮机叶片、污染水汽品质、造成主汽门卡涩。 ( 3 )综合降低高过管壁温1 5 。c 左右，机组供电煤耗降低l g k w h 左右，争取改造成本在一 年内收回。 东南大学工程硕士论文 第二章2 0 0 0 t h 锅炉设备及其高温过热器爆管情况 扬二电一期工程为两台6 0 0 m w 机组，配套锅炉型式为亚临界，一次再热，自然循环， 平衡通风，单汽包，半露天煤粉炉，由美国b w 公司制造。锅炉配有六台m p s 一8 9 g 型磨煤 机，五台磨煤机运行可达额定出力。锅炉燃烧方式为对冲方式，六套制粉系统对应3 6 只 e i x c l 燃烧器。# 1 机组于1 9 9 8 年1 1 月投产，# 2 机组于1 9 9 9 年6 月投产。该锅炉总体位 置见图2 1 。 图21 锅炉总体位置 东南大学工程硕士论文 2 0 0 1 年7 月以来，两台锅炉的总运行时间为2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 小时。二级过热器的出口段 分别发生了几起爆管事件，其中# 1 炉高温过热器爆管1 次，一次过热器管超温停炉处理， # 2 炉高温过热器爆管6 次，成为困绕安全生产的首要问题。本章节详细的介绍扬二电相 关殴备概况及爆管情况，便与分析研究。 21 扬二电设备概况3 扬二电机组设计煤种为神府烟煤，着火、燃烬特性极易，但灰熔点t l 、t 2 、t 3 分别为 1 1 9 7 、1 2 2 1 、1 2 6 3 。c ，为易结渣性煤，校核煤种为晋北烟煤；与其它煤种相比，神府煤的 热值、内水及氧化钙较高，含硫量及灰熔点较低。实际运行燃用煤为神府烟煤，可燃基挥 发份达3 2 ，低位发热量2 3 0 0 0 k 3 k g 左右。锅炉主要设计参数见表2 1 ，炉膛的主要设计 数据见表2 2 。 表2 - 1 机组主要设计参数“3 3 b m c r1 0 0 8 0 5 0 3 0 项目单位 t - m c r ( v w o ) t r lb m c rb m c rb m c r 蒸发量 t h2 0 0 01 8 】917 4 51 6 0 01 0 0 06 0 0 燃料量 t h2 7 7 92 5 6 32 4 7 32 3 3 61 5 3 79 2 2 主汽温度 5 4 15 4 15 4 15 4 15 4 l5 3 5 过热器出 j 压力 m p a 1 7 3 9 1 7 2 61 7 2 11 7 1 31 2 1 71 0 5 4 省煤器进口温度 2 7 5 2 7 12 6 82 5 72 3 62 1 2 省煤器出口温度 2 9 9 2 9 42 9 2 2 8 42 6 4 2 4 2 再热汽流量 t h1 7 0 01 5 8 41 5 2 41 4 0 88 9 65 4 5 再热器进口汽温 3 2 53 1 73 1 43 0 42 9 93 0 3 再热器进口汽压 m p a3 9 134 33 2 82 9 81 7 01 2 3 再热器出口汽压 m p a3 7 53 2 83 1 4 2 8 5 1 1 61 】8 再热汽温 5 4 15 4 15 4 15 4 15 4 14 9 6 再热器压降 m p a0 1 60 1 50 1 4o 1 30 。80 0 5 一一 塞堕奎堂三堡堡主堡奎 过热器压降m p a1 2 81 0 6 0 9 80 8 30 4 6 o 2 0 汽包压力 m p a1 8 5 6 1 8 2 21 8 0 8 1 7 8 61 2 5 31 0 6 5 炉膛出口烟温1 0 0 59 8 09 6 8 9 5 38 3 57 0 4 a h 出口一次风温 3 2 63 1 9 3 1 83 0 92 9 】2 6 5 a h 出1 3 二次风温2 9 93 0 43 0 22 9 42 8 22 6 l a l l 出口烟温( 未修正已 1 2 9 1 2 1 1 2 6 1 2 l1 2 4 1 1 81 1 9 1 1 41 1 0 1 0 31 0 2 9 4 修正) 炉膛至a h 出口烟气压降 k p a1 8 01 7 3 1 6 9l _ 6 l1 1 40 6 7 送风机进e i 至炉膛压降 k p a2 6 0l _ 7 l l5 5i _ 8 7i 0 40 5 0 一次风进口至炉膛压降 k p a 9 5 5 7 7 47 ，4 68 0 76 3 l4 9 0 过量空气系数 1 7 01 8 21 8 22 3 63 2 54 4 6 锅炉效率 9 3 8 79 3 9 69 4 0 69 4 0 79 4 1 69 4 0 2 a h 进1 3 一次风量 k g s 1 7 0 91 5 7 31 5 4 31 5 0 81 1 8 39 2 2 a h 出1 3 一次风量k g s 1 2 3 81 1 3 81 1 1 2 1 0 6 0 7 6 85 3 1 a h 进口二次风量 k g s 4 7 9 24 2 8 84 1 0 94 1 7 32 8 5 61 7 7 9 h 出口二次风量k g s 4 8 3 74 3 3 4 4 1 6 34 2 2 52 9 1 81 8 5 0 表2 - 2 炉膛的主要设计数据”伸2 1 项目单位设计数据 炉膛宽度 f 【l i n1 9 5 0 0 炉膛深度 m m1 7 4 0 0 炉膛容积 m 31 6 0 6 0 顶棚标高 m 6 3 6 5 0 炉底水冷壁倾角 5 0 o i 有效辐射热负荷 f 莳2 3 3 7 8 0 i 断面热负荷w m 24 6 5 9 5 9 0 ( 10 0 b m c r ) 东南大学工程硕士论文 l 燃烧器区域热负荷w m 2 1 0 5 4 1 2 0 【炉膛出口烟气量k g s 6 7 3 9 后墙水冷壁下集箱标高 m m7 9 9 0 后墙水冷壁上集箱标高 m m6 4 6 5 0 一次风母管直径( 热冷) m m 中3 9 2 0 m 1 7 0 0 二次风母管尺寸 m m6 1 0 0 2 1 3 5 炉膛出口烟温 1 0 0 5 锅炉过热蒸汽流程为汽包一炉顶和包覆过热器一一级过热器i 段一一级喷水减温器一 一级过热器i i 段一二级喷水减温器一二级过热器一去高压缸，各段过热器材质见表2 - 3 。 二级过热器的出口段包括6 4 个悬吊式组件，由尺寸不同的三种管材s a 一2 1 3t i i 、t 2 2 、t 9 1 组成，见二级过热器出口段示意图2 2 。 表2 - 3 各段过热器材质 名称烟气流速( m s ) 管径( m m )间距( 咖)材料 允许温度( ) 一级( 卧式进口) 1 2 75 0 ，8 5 7 1 1 4 3s a 2 1 3 t 1 2 5 1 0 一级( 立式进1 3 ) 9 1 5 0 82 2 8 6s a 2 1 3 t 1 2 s a l 7 8 c5 1 0 5 0 0 一级( 屏式) 5 0 8 1 3 7 1 6s a 2 1 3 t i ：t 2 2 t 1 25 1 0 1 5 8 0 1 5 1 0 二缴( 入口管柬进口) 1 1 3 5 0 86 0 9 。6s a 2 1 3 t 2 s a 2 1 3 t 2 25 1 0 5 8 0 二级( 出口管束进口) 1 3 15 0 83 0 4 8s a 2 1 3 t 1 2 丁2 2 t 9 15 1 0 5 8 0 6 5 0 锅炉配套燃烧器是b & w 的第二代d r b x c l 型低n o x 双调节旋流燃烧器。该型燃烧器上 广泛采用了测风和调风技术。根据位于内、外二次风入口的环形毕托管测得二次风流量信 号，调节一次风管筒上的滑动挡板来调匀各燃烧器的二次风量及内外二次g t , l t 仞j 。风、外 二次风调节叶片决定了二次风与煤粉的混合程度，稳定煤粉气流的着火和稳燃，并产生旋 流使二次风均匀而有效地混入火焰，决定了燃烧器的火焰形状，其中外二次风是主流。按 g & w 运行手册要求，内二次风叶片影响煤着火距离，一般牛4 5 。否则火焰稳定性降低，外 二二次风叶片一般6 0 。，大于6 0 。会减少火焰稳定性，小于4 0 。会破坏火焰。 东南大学工程硕士论文 s 图2 2 二级过热器出口段2 - 3 过热器管下弯头处的氧化物 2 2 锅炉爆管原始记录 自2 0 0 1 年7 月以来，二级过热器的出口段分别发生了几起爆管事件，历次爆管的简要 情况、历次爆管发生时间及参数见表2 4 、表2 5 。所有的爆管均发生在锅炉冷启阶段，分 别发生在启动后的5 0 小时内，具有典型的短期过热超温特征，爆口附近管径明显胀粗，爆 口边缘减薄明显，破口呈鱼嘴状，开口较大：其中两次爆管发生于管壁较薄的t 2 2 管，其 他的发生于t 9 1 管的变管径处。在2 0 0 3 年2 月，在# 1 机节日调停后启动并网升负荷的过 程中，制粉系统投用后，高过一金属壁温点异常升高，随着锅炉负荷增加，该点和其它管 壁温间的温差不断上升，最高达6 5 0 。锅炉在两天内停运，锅炉冷却后将壁温异常的管 段被拆下来，检查发现在管道的下部弯头处大量的黑色片状碎屑如图2 3 。 在2 0 0 3 年5 月# 2 炉小修启动并网升负荷的过程中，相继发现高温过热器出口段管排， 第5 1 排迎风面第一管圈、第1 7 排背风面第二管圈、第3 4 排迎风面第一管圈上的热电偶测 点温度突升( 最高6 2 0 。c ) ，经分析为在启动过程中内壁氧化皮脱落，造成管子部分堵塞， 东南大学工程硕士论文 经采用快速升降负荷变压冲洗，低汽压大流量定压冲洗的方法，将此三根管子内的氧化皮 冲走，管壁温度恢复正常，从而避免了一次非计划停炉检修。 表2 4 历次爆管的简要情况 n o 时间位置及情况 l2 0 0 1 7 8 # 2 高过出口段3 l 排迎风面第1 根t 2 2 爆破，距t 2 2 变径接头( 2 ”十0 4 0 与2 ” o 4 8 ) 上方约2 0 c m ，爆在薄壁t 2 2 上。 22 0 0 1 8 7 # 2 高过出口段3 l 排迎风面第1 3 根t 9 1 爆破，距t 9 1 变径口上方约1 5 c m 。 32 0 0 2 5 7 # l 高过出口段1 0 排迎风面第1 0 根t 9 1 爆破，距t 9 l 变径口上方约1 5 a m 。 42 0 0 2 1 1 1 4# 2 高过出口段3 4 排迎风面第1 3 根t 9 1 爆破，距t 9 1 变径口上方约1 5 c m 。 5 2 0 0 3 2 9# 2 高过出口段1 1 排迎风面第1 根t 2 2 爆破，距t 2 2 变径接头( 2 ” 0 4 0 与2 ”$ o 4 8 ) 上方约2 0 c m ，爆在薄壁t 2 2 上。 62 0 0 3 2 ，10 # 2 高过出口段1 0 排迎风面第1 1 根t 9 1 爆破，距t 9 1 变径口上方约1 5 m ； 第9 根变色。 7 2 0 0 3 2 1 4 # i 高过出口段4 7 排迎风面第1 根t g l 超温( 由于该管装有温度测点， 因而及时发现，停机处理) 82 0 0 3 2 1 5 # 2 高过出口段1 4 排迎风面第1 1 根t 9 1 爆破，距t 9 1 变径口上方约1 5 m 表2 5 历次爆管发生时间及参数 卜 并网时间 爆破时间负荷温度压力备注 m p a ， 2 8 6 ：3 02 9 1 l ：0 0 5 0 0 m w5 3 61 6 2 5 0 0 m w 共3 h 2 2 8 6 ：3 02 1 0 1 4 ：2 86 0 0 m w 5 4 01 5 3 6 0 0 m w 共3 5 h 3 2 1 4 1 0 ：2 02 t 5 2 2 ：3 04 8 0 m w 5 3 61 5 o严格控制升温升压速 度，6 0 0 m w 共约4 小时 东南大学工程硕士论文 第三章2 0 0 0 t h 锅炉高温过热器爆管原因分析 扬二电两台机组自调试投产以来，锅炉存在过热器减温喷水偏大、水冷壁及炉膛出【_ ：】 受热面的结焦及高过高再部分管屏超温等主要问题，满负荷时过热器减温喷水量达 2 5 0 t h ( 设计值仅为8 6 t h ) ，过热器部分管屏超温导致高温过热器t 2 2 炉管内壁生成大量 氧化皮，氧化皮脱落堵塞炉管引起过热爆管，严重影响锅炉受热面管的使用寿命及其安全 运行。本章主要结合过热器管的金属检验，分析过热器管壁超温、氧化皮的形成及剥离机 理，研究其高温过热器爆管的原因。 3 1 爆管和吹损管的金属检验 3 1 ，1 宏观检验 宏观检验时发现割管外壁严重结渣，渣为浅红褐色较坚硬。主爆口张开较大，为薄边 缘，塑性断裂，内、外壁无细小的微裂纹，爆口附近管段发生严重胀粗，胀粗量为6 o 左 右。爆口具有较典型的短时过热开裂特征。但值得注意的是，t 9 1 爆口在主爆口两端有较 长的撕裂爆口，爆口基本无减薄，为脆性开裂。另外多次割管后，在下部弯头发现有堆积 物和积水”1 。 3 j 2 力学性能试验 ( 1 )s a 2 1 3 t 9 1 运行管和爆管的室温、高温力学性能试验 s a 2 1 3 t 9 1 运行管和爆管的室温、高温力学性能试验由表3 1 分析表明，4 2 炉爆管同原 始管比较，室温状态0 。大幅降低( 下降1 4 0 m p a 左右) ，。：亦显著降低( 下降2 5 0 m p a 左 右) ，屈强比从8 l 降至5 7 。6 0 0 、6 5 0 0 。表现行为同室温基本一致，拉伸强度、屈 服强度均下降显著；吹损割管同原始管比较，室温状态o 。值路有降低，但o 。值已下降6 0 7 0 m p a ；超温管0 。值降低5 0 m p a 左右，o 。：最小值已下降1 5 0 m p a 左右。 表3 - 1s a 2 1 3 t 9 1 运行管和爆管的室温、高温力学性能 温度 0b00 265 试验管段位置 ( )( m p a )( m p a )( ) 4 1 炉2 0 0 2 5 7 欧室温迎风面 6 8 05 0 52 2 东南大学工程硕士论文 损管6 8 5 4 9 52 4 7 0 05 1 52 2 背风面 6 8 55 0 02 2 5 4 53 l o3 4 5 迎风面 5 7 03 4 52 9 5 室温 5 8 53 5 53 1 5 背风面 。2 炉2 0 0 2 1 1 1 4 5 8 53 6 03 2 5 爆管迎风面 2 4 51 8 83 3 6 0 0 背风面2 4 0 1 8 l3 5 5 迎风面1 9 41 6 44 2 6 5 0 背风面 2 4 01 5 84 1 0 6 5 l4 7 02 3 6 迎风面 4 1 炉2 0 0 3 2 超温6 5 5 5 0 12 3 室温 簪 6 6 94 9 52 3 背风面 6 3 94 1 62 2 ( 2 )s a 2 1 3 t 2 2 运行管和爆管的室温、高温力学性能试验 s a 2 1 3 t 2 2 运行管和爆管的室温、高温力学性能试验由表3 - 2 分析表明，”2 炉爆管t 2 2 段同原始管比较，室温状态0 。值增高了3 0 4 0 m p a 但口。：却显著降低，屈强比从6 4 降 至4 8 ，6 0 0 、6 5 0 0 。值增高更为显著，分别增高1 6 0 m p a 、8 0 m p a 左右，但屈强比却从 6 8 、8 0 降至4 6 、7 0 。此变化趋势同长时运行后的管段具有显著不同，后者强度值 通常随组织的老化而发生显著的下降；而最为显著的变化是屈强比，发生长时过热运行的 管段，爆管管段的屈强比大幅提高，也即在高温、高压长期作用下，材料的形变强化能力 显著下降，一旦管段局部区域的应力超过材料的屈服强度，即产生徼区内的断裂，因而长 时过热爆口表现为无塑性减薄的脆性断裂。发生短时过热的管材，材料屈服强度大幅下降， 使得管段内的工作应力高于屈服点发生塑性变形，同时断裂强度的提高( 屈强比的下降) 壅堕查堂三翌堡主堡奎 使得管材塑性变形能力大为提高，爆口的最终表现形式为薄边缘塑性断裂。爆管段拉伸强 度的大幅增高，说明t 2 2 管组织已发生了相变。 吹损割管的on 、om 值均发生了明显的降低，o 。降低3 0 4 0 m p a ，0 。值降低1 0 0 m p a 左右，屈强比为4 9 ，此结果表明吹损管的组织已发生老化。值得注意的是此割管的运行 时间仅为3 8 个月。 表3 2s a 2 1 3 t 2 2 运行管和爆管的室温、高温力学性能 温度 0b00 265 v 试验管段位置 ( )( m p a )( m p a )( )( ) 4 7 02 3 03 3 57 7 4 1 炉迎风面 4 7 02 3 03 3 o7 7 5 2 0 0 2 5 7 吹室温 4 8 02 4 03 2 57 7 5 损割管背风面 4 7 52 3 53 2 57 7 5 4 2 炉5 4 52 6 03 1 56 8 0 迎风面 2 0 0 2 1 1 1 4 5 3 52 5 53 2 56 8 5 室温 爆管5 6 52 8 02 8 o6 9 5 背风面 5 3 52 3 52 9 56 8 o 4 7 52 2 02 6 57 4 o 迎风面4 6 52 0 52 6 o7 4 5 4 7 52 2 52 9 o7 4 0 6 0 0 4 6 52 3 52 7 07 5 5 背风面4 8 02 2 02 6 57 4 5 4 5 52 2 02 7 07 45 6 5 03 0 02 0 53 558 4 o 迎风面3 0 52 2 03 4 58 35 3 2 02 2 03 2 58 4 5 东南大学工程硕士论文 - - - - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 3 0 52 0 03 3 o 8 35 背风面 3 0 0 1 9 03 3 58 40 4 7 22 8 03 15 7 8 迎风面 ；l 炉2 0 0 3 2 超4 8 32 8 72 87 7 温管进汽段4 7 32 7 82 87 8 背风面 4 8 92 9 82 97 7 室温 4 6 03 0 53 27 6 迎风丽 4 l 炉2 0 0 3 2 超 4 5 33 0 73 2 7 5 温管出汽直段4 4 72 8 83 07 7 背风面 4 3 02 5 43 27 7 ( 3 )爆管、割管硬度值测试结果h b ( h v ) t 9 1 爆管段相对于原始管，硬度值f 降显著；吹损割管和超温管硬度值稍有下降，t 2 2 管相对于原始管，吹损割管和超温割管均表现为不同程度的下降趋势，其下降程度同温度 变化相对应；而爆管段却表现出了硬度的增高趋势，尤其在爆口处。由表2 3 爆管、割管 硬度值测试结果表明，硬度值的变化同强度变化具有相同的趋势，在爆管段t 9 1 同t 2 2 的 表现行为相反。 表3 - 3 爆管、割管硬度值测试结果 l t 9 1t 2 2 h b2 1 5 、2 1 5 、2 1 32 1 41 5 3 、1 5 2 、1 5 31 5 3 原始管 h v( 2 1 6 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 9 )( 2 1 6 ) 4 炉2 0 0 2 5 7 渣面2 0 9 、2 0 5 、2 0 52 0 61 4 6 、1 4 3 、1 4 5 1 4 5 吹损割管背风面2 0 8 、2 0 9 、2 0 7 2 0 81 4 9 、1 4 6 、1 4 91 4 8 ”2 炉爆口爆口侧 1 4 9 、1 5 3 、1 5 6 、1 4 61 5 11 5 9 、1 5 6 、1 5 61 5 7 2 0 0 2 1 1 1 4 下端 背风面 1 6 0 、1 6 0 、1 5 41 5 81 5 3 、1 5 3 、1 5 31 5 3 爆管爆口爆口侧1 6 1 、1 6 3 、1 6 l1 6 2 东南大学工程硕士论文 上端背风面1 6 0 、1 6 0 、1 6 01 6 0 变径管i 6 6 、1 6 61 6 6 爆口( 1 6 4 ) ( 1 5 9 ) ( 1 6 3 ) ( 1 6 2 ) 进汽迎风面1 4 6 、1 4 6 、1 4 61 4 6 段背风面1 4 9 、1 4 9 、1 4 61 4 8 。l 炉2 0 0 3 2 出汽近薄1 4 5 、1 5 2 、1 4 81 4 8 超温管弯头厚1 4 8 、1 4 8 、1 4 81 4 8 出汽真迎风面2 1 1 、2 0 9 、2 0 92 1 01 3 5 、1 3 8 、1 3 81 3 7 段背风面2 0 7 、2 l l 、2 0 92 0 91 3 7 、1 3 7 、1 3 71 3 7 1 7 2 、1 7 4 、1 6 41 7 0 脆性裂纹侧 4 2 炉( 1 8 1 ) ( 1 8 1 ) ( 1 9 5 )( 1 8 6 ) 2 0 0 3 2 9 1 7 7 、1 7 7 、1 7 71 7 7 相对侧 t 9 1 爆管( 2 1 3 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 0 )( 2 1 1 ) 主爆口( 1 7 9 ) ( 1 7 7 ) ( 1 8 1 )( 1 7 9 ) 。2 炉渣面1 6 0 、1 5 8 、1 6 l1 6 0 2 0 0 3 2 9 背风面 1 4 l 、1 3 9 、1 3 91 4 0 t 2 2 爆管 3 ，i 3 金相组织和爆口微观特性的检验 由表3 - 4 、表3 5 金相组织和爆口微观特性的检验结果表明，所检验管段内外壁均无 平行于主裂纹的次生蠕变裂纹，无蠕变孔洞发生。对于t 2 2 钢吹损和超温割管，组织已发 生不同程度的碳化物扩散已析出现象，此种组织对应强度与硬度的降低；对于t 2 2 爆管段， 无论爆口是发生在t 2 2 管段或t 9 1 管段，t 2 2 材料组织均己发生显著相变，相变温度介于 两相区之问即a c a c 。，爆管后的组织为相变产物。此类组织相应的表现为硬度值和拉伸 强度的升高；对于t g l 钢吹损和超温割管，组织基本保留原回火马氏体特征，但部分迎风 面已发生合金元素的扩散，针状特征减少，有细小粒状碳化物的析出，此特性对于t 9 1 的 东南大学工程硕士论文 长时运行监督很有意义。t 9 1 爆管管段组织均为a c 。a c 。两相区不完全相变产物，由于回火 马氏体的消失，使得硬度利强度值大为下降。组织中出现的块状铁索体和沿晶分布的碳化 物颗粒，导致了t 9 1 材料脆性的增加，因此在主爆口两端部出现了脆性撕裂爆1 3 。 表3 4t 2 2 钢金相组织检验 序号检验管段部位组织特征 铁索体+ 碳化物+ 少量贝氏体，晶内碳化物弥散 4 1 炉迎风面 分布，晶界碳化物为链状排列，球化3 级 12 0 0 2 5 7 吹 铁素体+ 碳化物+ 贝氏体，相对于迎风面，碳化 损割管背风面 物质点较为细小，球化2 级 进口直段迎铁素体+ 贝氏体+ 少量碳化物，贝氏体基本保持 风面原形态，球化l 级 弯头出口直铁素体+ 碳化物+ 贝氏体，贝氏体开始分散，碳 段迎风面化物在铁素体晶粒内弥散分布，球化2 级 2。1 炉2 0 0 3 2 铁素体+ 碳化物，晶界碳化物为链状，晶内为球 超温割管出汽直段迎 状，仍保留原贝氏体区域特征，铁素体晶粒内碳 风面 j 化物开始消失，球化3 5 级 出汽直段背 铁素体+ 碳化物+ 贝氏体，球化2 级 风面 4 2 炉 爆管下部白亮块状铁素体+ 粒状贝氏体+ 马氏体，为 32 0 0 2 1 1 1 4 t 2 2 段a c ，a c 。之间相变产物 t 9 1 爆管 4 2 炉 爆口铁素体+ 粒状贝氏体，为a c 。a c 。之间相变产物 42 0 0 3 2 9 铁素体+ 粒状贝氏体+ 碳化物+ 回火贝氏体，温 爆口对面 t 2 2 爆管度在a c ：点附近 表3 - 5t 9 1 钢金相组织检验 l 序号l 检验管段i 部位 l 组织特征 i e ii i d 东南大学工程硕士论文 。1 忙 组织为回火索氏体、相对背火面组织有扩散发生，针 迎风面 12 0 0 2 5 7 状特征不明显，碳化物为细小粒状 吹损割管背风面 组织为回火马氏体，针状特征明显 。l 炉迎风面 组织为回火马氏体，针状特征明显，迎风面、背风面 2 2 0 0 3 2 超 背风面组织差异较小 温割管 白色块状铁素体+ 粒状贝氏体+ 碳化物颗粒，为 变径管 a c 、a c 。之间的相变产物 铁素体+ 粒状贝氏体+ 碳化物颗粒，晶粒被拉长，外 爆口端部 。2 炉表面无蠕变裂纹和氧化缺口为a c ，a c 。之间的相变 3外表面 2 0 0 2 1 l产物 t 9 i 爆管铁素体+ 岛状组织+ 碳化物颗粒，晶粒被拉长，为 爆口边缘 a c a c 。之间的相变产物 铁素体+ 岛状组织+ 碳化物颗粒，保留少量的针状特 背风面 征 3 1 4 内壁氧化层分析 由表3 - 6 、表3 7 可知，t 2 2 内层氧化层为f e 、c r 、m o 的氧化物，但并不是均匀的， 分层结构中合金元素c r 、m o 的变化，说明了温度的改变。外层的均匀层和疏松层则均为 f e 的氧化物。t 9 1 管蒸汽侧氧化层为均匀、致密的单层结构，氧化层中含有较高的合金元 素c r 。 表3 - 6 管壁蒸汽侧氧化层厚度 序号管段位置氧化层厚度 l4 l 炉2 0 0 2 5 7 吹损割管t 2 20 4 0 2 m m 进汽直段t 2 2 0 1 2 m m 24 1 炉2 0 0 3 2 超温割管出汽直段t 2 20 2 4 8 m m t 9 1 东南大学工程硕士论文 t 2 2 段0 4 8 m m 3。2 炉2 0 0 2 1 1 1 4 爆管变径管t 9 i0 1 4 m m 爆口面t 9 1 o 1 7 m m 表3 7 氧化层中主要合金元素变化( w t ) c rm of e 基体 1 5 80 5 29 7 5 4 界面 3 8 21 4 19 4 4 0 4 2 炉 多层结构 3 9 11 6 8 9 4 1 2 2 0 0 2 1 1 1 4 多层结构( 均匀、白色) 4 o l3 0 59