超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析.pdf

第3 1 卷第1 期动 力 工 程 学报 V 0 1 3 1N o 1 2 0 1 1 年1 月 J o u r n a lo fC h in e s eS o cie t yo fP o w e rE n g in e e r in g J a n 2 0 1 1 文章编号：1 6 7 4 - 7 6 0 7 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 6 9 0 6中图分类号：T K 2 1 2 1文献标识码：A学科分类号：4 7 0 2 0 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，北京1 0 0 0 6 9 ；2 西安热工研究院有限公司，西安7 1 0 0 3 2 ； 3 国华太仓发电有限公司，太仓2 1 5 4 3 3 ) 摘 要：为研究超临界锅炉末级过热器爆管的原因，对1 台6 0 0M W 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T z 3 T 9 1 钢管的T 2 3 管段内壁，而非T 9 1 管段内壁；T 2 3 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( F e 。O 。) ，内层为等轴细晶的含W 和C r 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I 瞄界锅炉；过热器；T 2 3 钢管；T 9 1 钢管；蒸汽氧化；氧化皮脱落 B u r s tC a u s eA n a ly s iso fF in a l s t a g e S u p e r h e a t e r T u b e sf o raS u p e r cr it ica lB o ile r Z H A OH u i ch u a n l，J I AJ ia n m in2 ，C H E N J i g a n 9 2 ，L I A N GJ u n l， Y A N GH o n g q u a n 3 。Y lN C h e n g W U 3 ( 1 S h e n h u aG u o h u a ( B e ij in g ) E le ct r icP o w e rR e s e a r chI n s t it u t eC o ，L t d ，B e ij in g1 0 0 0 6 9 ，C h in a ； 2 X i a nT h e r m a lP o w e rR e s e a r chI n s t it u t eC o ，L t d ，X i a n7 1 0 0 3 2 ，C h in a ； 3 G u o h u aT a ica n gP o w e rP la n tC o ，L t d ，T a ica n g2 1 5 4 3 3 。C h in a ) A b s t r a ct ：I no r d e rt of in dt h eca u s e so ft u b eb u r s tf a ilu r e se n co u n t e r e db yt h ef in a l- s t a g es u p e r h e a t e ro fa 6 0 0M Ws u p e r cr it ica lb o ile r 。a na n a ly s isw a sca r r ie do u tt ob o t hm a cr o s t r u ct u r ea n dm icr o s t r u ct u r eo ft h e o x id es ca le st a k e nf r o min n e rs u r f a ceo fr e le v a n tt u b es a m p le s ，a n dt ot h em icr o s t r u ct u r e ，p h a s e ，m icr o m o r p h o lo g ya n dco m p o s it io no ff a ll o f fs ca le s R e s u lt ss h o wt h a tt h ef a ilu r eh a sb e e nca u s e db yo x id e s ca le ss p lito f ff r o min n e rs u r f a cea tT 2 3s id eo ft h eT 2 3 T 9 1j o in t ，w h ichb lo ck e dt h elo w e re lb o wo ft h e s u p e r h e a t e ra n df in a llyle dt ot h et u b eb u r s t T h es ca leo nin n e rs u r f a ceo fT 2 3t u b eh a sat w o - la y e rs t r u c t u r e ，o fw h icht h eo u t e rla y e rist h eco a r s eco lu m n a rg r a inF e 30 4w h ilet h ein n e rla y e rf in ee q u ia x e ds p in e l， co n t a in in gWa n dC re le m e n t O n eo rm o r eh o le - ch a in so nin n e rs u r f a ceo fp r im it iv eo x id es k inf o r m e da - lo n gt h ecir cu m f e r e n ced ir e ct io na r ee a s yt ob r e a ka n dca u s et h eo x id es k int of a ll o f f K e yw o r d s ：s u p e r cr it ica lb o ile r ；s u p e r h e a t e r ! T 2 3t u b e ；T 91t u b e , s t e a mo x id a t io n ；f a llin go f fo fo x id e s k in 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2 5 4M P a ，出I = 1 温度为 5 7 1 末级过热器为逆流布置，共计8 2 排，每排1 2 根管，为冷热段布置末级过热器设计材料按壁温由 收稿日期：2 0 1 0 0 5 2 8修订日期：2 0 1 0 0 7 1 6 作者简介：赵慧传( 1 9 6 3 一) 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 e l) ：1 5 9 0 1 1 7 2 3 8 6 l E - m a illz h a o h c6 6 1 2 6 e o n L 低到商分别为T 2 3 、T 9 l铁索悼钢和T P 3 4 7 H 奥氏 体销 2 0 0 7 年6 门2 2 日谈J8q 铽炉炉膛内6 5m 标高屈泄漏报警缩水讹赜异常增大停炉硷查发现 锅妒未缎廿热器发生2 处爆管爆臀时8 号锅炉累 计运行时问约10 0h I 宏观检查情况 十爆口位于未级过热器出【1 段右数第排、 前数第9 根管、距顶棚2m 处爆ll呈现短期过热特 征( 图1 ( a ) ) ；另一个爆【】位于右敫第2 4 排、前数第 根管、距顶镧25m 处爆u 部位胀 丑特征明显 ( 图l( b ) ) 剖扦饿爆口下弯臂发现内鄂积聚氧化 皮取出约9 0g 的轼化皮剁落物燕汽吠攒减薄和 过热胀桩需要更换的管于逃1 2 根，利用射线拍片梳 查卫发现B 根管了下弯管灶有氧化皮堆# 。 ( b ) 口= 口】口$ m $ # ig 1P h o lo s “r u u “jr “1 u b e 8 经初步分析认为8 号锅炉末级过热器爆骨的原 因是机组启岸i= f 裨巾铁索体钒cT 2 3 T g l】i= t 热器内 肇氧化皮脱落并在下弩晋酃位堆积廿致管予饼c通截 而减少、舟质流量降低而产生过热引起爆管 脱落的氧化皮米自I9 lj 午段坯是1 1 3 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 I 遣行营内璧曩亿曲的宏观形态 利用体搅显馓镜观察各督样内啭氧化物的宏现 形志并分折艇化皮脱 ； 的方式各臂样内壁氧化物 的缇脱形鲵特征见击】密观形态蛇图2 图】z $ l蕾# 自t * 自女& # * T a h lM 删r u o f 蛐l“【k 恤n 叩 v v i0 h 邮口I a “# ! in * n 女H 镕自n g # “H 目；t * H g g “自自* K * n B # * # # 自M 自* # t * 日“自 8 # m 目m o P n 1 “ J ；t n K # ? r m H E m t 十口R t 口 t t A “m & 2 5 。$ & # * 镕m * 十H # 自t # t m m 自“n 0 6o n m f ! t * # 2 z e ，- I 】2I * 镕n * # T 2 * c2 ) 2 * 2 6 * A * # T 9 l* * lH ：1 2 H T ：3 f # M * t $ * t # ”t 5 E 01 F 1 9 I n n f F f “ce ，In 3 u k kN m ( c I cu l t “o cl“2 f 。s 0 ) 一 镕】m赵慧特等：超界锅p 柬教过热嚣爆管愿目的分析 目目T 9 1 t * M “ m r f # ”t a6 1 0C ) F iIB I n n e rs u r f a ce I p ar a n coo f I u b e T 9 1 N o “ ( ca lcu la t dm e t a l er 1 u M6 1 0C - ) 运行管内壁氧化物的宏观形态如下： ( 1 ) T 2 3 钢束级过热器运行管已发生丁内壁氧 化皮脱落现象脱离形式有太片状和椭圆状；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 目l22 69 T 9 I * 镕M 目自! 口( * # ”# a 5c) rE 川 s u r f a ce3 P ”8r a n f u b e T 0 j P k N o2 6 ( e a lcu la t d t a I e t a lU S 5 0 5C ) 分离后先沿椭两的氍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 ) T 9 1 钢束缎过热器运行管束发生内壁氧化 皮脱落 2 4 号和z 5 导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；2 4 号和2 5 号管 样是爆破管的上曲 营段管子网严重超温爆破后，太 量相对温度鞍低的藩汽从爆口喷出快速冷却管内 壁从I n 】导致管内壁氧化皮产一E 纵向裂缝 2 2 脱落氧化皮的结构和成分 l片脱落氧化应样品的氧化物结构和厚睦丹析 结果见表2 脱落氧化皮样品的典型氧化物结构见 刳l0 + 刿l6 $ 2M 镕* 目勺# # # 目4 T a b2S I r u t lu m Ir e 4 I a n d t h ick n d so f ch la v e ro f “j 蛐1 6 l31 * # n * m 镕* H g 删1 cf f u c l c* _ 。k hL lln g o f | ， k j 目 * * m m m 镕目 F 【E m 0 5 r u cu f d a b JJ n R o f f I m m m p leN o ： 对比分析脱落氧化皮数据和氧化皮结构特征町 看出： ( 1 ) 脱落氧化皮厚度较薄为O0 9 0I I f 2 ) 脱落氧化皮结构为= 屡外层孔嗣数量少而 足- r 大内层孔嗣数量多师尺寸小内屉厚度为 oo o 。5 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 目I ；3B # * m m m m 镕 F 1 5M cT o s lu cI u fo 州 I tf a 1 ln g o h m k j 目l649 m g m m m 镕* F 1 916b licr o s in cu fo I “ 4 le f B ll】n 8 u f f f kN o 而脱落的2 ” ( 3 ) 脱落氧化皮外层的表层( 摄外层) 存在不同 厚薄的白亮层( F “o ，胺) 内层外表面有一层很薄 的白亮层或零星的白亮点( F e t u 颗粒) ( 4 ) 在内屡靠近外层的一侧存在白色颚粒带或 零星的白色颗粒，经射线能谱分析确定白色颗 粒为富w 这种现象表明：F e 岛扩敞到外层形成 互墨 互Z 赵慧传，等：超# 界铒炉柬级过热嚣爆管原因的分析 7 3 F e 。o 或F 帅OW 的原子半径太，不易扩散因而 沉积在内层t 形成富w 区 z22 脱落氧化皮* 相分析 对脱落氧化皮进行 工啼选，去陈异物然后用 D M a x 2 4 0 0 型x 射线衍射仪对内壁脱落氧化物避 行X 射线衍射结构分析结果表明：脱落氧化皮主 要由F t 一0 ，和少量的F cz ( J - 绀成其中F e 。o 。占 B 75 4 ，F e 2 0 ，占l2 拍 2 23 脱落氧化皮各日域的微观形态和成分 担型的脱落氧化皮微观形卷见圈I7 岍 目】# K 镕 m * * 目自n f 日镕 H 自f zr I “lr o n im a g eo fL h e f a l【o f fo x id e * a lt 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慢古有F e 和n 可确定氧化皮折断面外层氧化物是纯磁铁矿 ( F e ，O ) ；氧化应折断面内层的化学成分际古有F e 3 * 日E E x # * m * * * g l讪3X 。 n 州s p w I a n a ly s B “t h e 和。外还台有w 、L r 和v 可确定氧化皮折断面 内屡氧化物是舍w 和cr 的尖品石这种现象表明： 脱落氧化皮来自T 2 3 钢管内壁 2 3 远千亍管内壁氧化屡的微观结构 231T 2 3 钢管内壁氧化层的微观构 1 2 3 锕管内壁氧化瑶的微观结掏特征见图1 9 图2 1 匝罗业 日M I2 3 目# 一目 * 女 F 9I 帅la y er t ，m d eE ca leo n 【1 n ur ho f 1 3 tu h 旺D ， 目z oT 自f 自B im 自a 月 F 2 0H 0 1 cj # ino x id e 蚋I j n n u r h “T 2 32 ub 匕 日13 镕* t m m 自目m # n 月# F lE2 l F a llln go f fo fo x id os 1 es lcn gh 0 1 ee h a T n “r z I u b e 从T 2 3 钢管内壁氧化层的微观结构特征可看 ：F 2 3 钢末纽过热器运行管的原生完整= 层氧化 物的内崖较致宙但存在条或多荣孔洞链，孔洞链 沿圆岗方向排列内壁氧化物容易沿着圆周方向排 列的千【涧链开裂从而造成山壁氧化物分离 232 T 0 】钢管内壁氧化层的微观 构 T 9 1 钢管内壁氧化层的微观结掏特征见圉2 2 和圉2 3 匝D = 一坐 目T 0 1 镕 # = 目# * * 自# F ig2 3R a d ia k j 。nH Po r n b r v k t n I a ”cr 具有等轴细晶的含w 和cr 的尖品石：原生氧化应 内层存在一荣或多条沿圆周方向排列的孔洞链氧 化物容易沿孔涮链分离从m 】造成氧化物脱落 ( 3 ) T 9 1 钢未级过热器运行管样氧化物内层多 细孔靠金属基体劁存在滑圆周方向排列的孔洞链； 内层氧化物致密带和疏橙带相捌存在；T 9 1 管样氧 化物层的开裂以梧向开裂为主这有助干氧化层的 热血力和生长应力松弛 ( 4 ) 脱落氧化皮特构为二层：外培仅古有F e 和 ( L 内层腺F c和0 讣还禽有w 、cr 和V 脱落氧化 皮内厦舍w 元衷，说明脱落氧化皮来自末级过热器 T 2 3 钢管内壁而非T 9 1 钢管内壁 ( 5 ) 此扶爆菅的根本原因是末级过热器T 2 3 T g l钢管的T 2 3 管段内肇在长期高温蒸汽环境下 生成氧化皮机组启停垃程中瞥于的热应力急剧童 化导致缺陪( 孔嗣链) 多的内层氧化物与基体金属 分离大量氧化应脱落，顺忾流方向堆秘到下弯管出 汽边t 致使管于通流截面碛少，舟质流量降低而产生 过热最终发生了爆管事故 ( 6 ) T 2 3 钢与T 2 2 钢的C r 含量相当，二者抗蒸 汽氧化性能基本相近由于r 2 3 钢管内壁氧化皮鞍 T 2 2 钢管易脱落，因此超临界锯炉高温受热面_ r z 3 钢管计算壁温应控制在5 7 0c内 参考文献 从T 9 I 铜内壁氧化层的 垃现结构特征可看出： ( I ) T 9 1 钢末级过热器运行管的完整二层氧化物的r 3 内层多细孔，一般在内层靠基体金属侧存在孔洞链， 孔洞链滑圆周方向排列；内层氧化物致密带和疏松 带相间存在( 2 ) T g l管样氧化层的开裂“径向开裂 为主 3 结论 ( 1 ) T 2 3 钢末级过热器运行管样均发生内瞳氧 化皮脱落脱离形式有太片状和椭圆状：T 9 锕末缎 过热器运行管样均束发生内壁氧化皮脱藩管样内 壁存在许多几乎平行的纵向氧化度裂缝 ( 2 ，T 2 3 钢管样的原生氧化出为二层结构：外 层为具有粗大柱状晶的纯磁铁矿( F q O 。) 内层为 口女# I R 目2 目# t rT 2 3 n 】自* # n j 自n # 自W m R 口女：口女* l： R 自m * 月2 0 0 8 w R I G H TI ( ，1 】R