过热器管译文(一).doc

华能国际电力股份有限公司内部资料 过热器管短期过热：氧化物生长和剥落Short-term Overheating in Superheater Tubing:Oxide Growth and Exfoliation过热器管短期过热：氧化物生长和剥落相关出版物的选择R.B. DooleyEPRI/美国电力科学研究院美国电力科学研究院2005年版权，保留所有权力。锅炉炉管损坏/加热器管（BTF/HTF）损坏理论与实践草案，1012757，2007过热器/再热器管短期过热概述常规机组和余热锅炉（HRSG）机组都能出现短期过热。本章第1.0和2.0节说明短期过热的损坏特征和机理，这些章节既适用于常规机组也适用于HRSG机组。第3.0至8.0节只涉及常规机组。对HRSG机组的讨论还将从第9.0至16.0节开始。第17.0节是本章的参考文献。当冷却蒸汽的正常流动被阻止时，过热器/再热器（SH/RH）中会发生短期过热。在非常短的时间内就会出现过高温度并很快发生管子损坏。这不同于第40章所述的长期过热/蠕变，长期过热/蠕变是一个在很长时间内发生的逐渐的过程，是由于蒸汽侧氧化层的隔热特性和/或初始设计不良造成的。第2卷第30章讨论与水接触的管子的短期过热，这种过热也是因管子内的冷却流体流路堵塞造成的。第1卷第4A章详细讨论氧化层的形成和分解，其中大部分讨论，特别是与剥落有关的部分与常规机组过热器管中的短期过热有关。1.0 损坏性质1.1 损坏特征短期过热造成的损坏是非常严重的。图44-1所示是一个过热器的奥氏体末段部分发生的短期过热损坏。图44-1氧化物从奥氏体材料上剥落引起过热器奥氏体末段部分发生短期过热损坏。在常规机组中受影响的管子上，短期过热造成的损坏会表现出以下明显特性：（1）受影响管子的直径明显增大（膨胀），而没有椭圆化，（2）韧性损坏，表现出薄边断裂面，和（3）“鳄鱼嘴”外观（图44-2）。损坏一般在纵向上（管子轴向上），位于管子的受热侧。图44-2短期过热损坏的典型“鳄鱼嘴”外观。来源：澳大利亚Austra电气公司在余热锅炉（HSRG）的鳍片管中，过热损坏的视觉特性易使人误解。图44-3显示了短期过热损坏的典型外观。虽然管子在断裂处明显有一定程度的膨胀，但是由于鳍片的作用，膨胀程度和独特的鳄鱼嘴形断裂比非鳍片管要隐蔽。损坏可以表现为鳍片之间出现针孔。一定要通过全面的冶金评价来证实存在这种损坏机理，而不应根据损坏的外观来确认。应注意，常规机组过热器短期过热的一个常见原因是氧化物从奥氏体材料上剥落。由于HSRG管一般不使用奥氏体材料，因此其短期过热损坏是因不同原因引起，本章第3.0节将对此进行讨论。图44-3一根过热器管子亚临界短期过热损坏的视觉特性。注意在断裂处鳍片变形。对短期过热损坏进行显微组织检验可以看出过热和晶间或穿晶蠕变造成的损坏，其特点与材料和应力级有关。铁素体材料的短期过热损坏将具有以下特征：断裂形式一般为穿晶蠕变。从显微结构可以看出管子金属发生严重过热。可能发生三种短期过热：亚临界、临界和上临界。这些类别受过热过程中出现的管子金属温度的限制。每种情况都会有独特的显微构造特征。如果管子只过热到合金的下临界温度以下的某个温度（即对于SA178为738/1360，对于T11为770/1430，对于T22为804/1480，对于T91为832/1530），那么对于铁素体管，显微结构将表现为铁素体和中度到严重球化碳化物。在没有辅助燃烧（即管道燃烧器）的余热锅炉中，唯一可能发生的短期过热是亚临界型。如果管子过热到高于下临界温度的某个温度，一部分珠光体、贝氏体或马氏体将转变奥氏体，冷却后，奥氏体将转变成珠光体、贝氏体或马氏体，这取决于合金和冷却速度。局部显微结构将由原始显微结构和带有相变产物的区域组成。这种情况下的损坏称为临界短期过热损坏。断裂模式为穿晶或穿晶与晶间混合蠕变。从损坏的管子外围和长度上相变产物的程度和严重性可以知道过热原因。带有相变产物的非常局部化的区域表明过热可能是由于火焰冲击或局部化流体侧沉积物引起。管子外围和长度上更缓慢的显微结构变化说明由于流路堵塞引起流动不畅或存在其他原因。如果过热温度超过合金的上临界温度，整个显微结构将转变成奥氏体。在这种情况下，断裂模式可能是沿以前的奥氏体晶界出现晶间断裂或晶间与穿晶混合断裂。局部显微结构将完全由相变产物组成，没有原始结构残留物。在余热锅炉中，预计上临界过热损坏速度很快。这些损坏一般只在辅助燃烧器在管子附近产生的烟气温度远远超过871（1600）时发生。在每种类型的短期过热损坏中，断裂附近都可能出现局部化硬化。除上临界过热外，损坏处还可能出现一定程度的局部化颈缩（塑性变形引起的截面面积减小）。颈缩的严重程度与过热温度成反比。亚临界短期过热损坏将显示出显著的晶粒伸长和颈缩。临界短期过热损坏将显示出轻度的晶粒伸长和颈缩。上临界短期过热损坏将显示出微量的晶粒伸长和颈缩。在常规机组过热器中，检查拆卸下的管段中的碎屑可以获得问题原因的有关线索。例如，底部弯管可能被剥落的氧化物或化学清洗碎屑堵塞。图44-4所示是一根常规机组管子举例。分析剥落的氧化物也可以知道其主要原因是奥氏体管材还是铁素体管材。图44-4一台常规机组中底部弯管和碎屑导致堵塞来源：澳大利亚Austra电气公司表44-1列出了区别长期与短期过热的主要因素以及向火侧腐蚀的特性（常规机组）。这些因素中的主要因素是：短期过热是一种韧性薄边断裂，断裂处硬度一般会增大；相比之下，长期过热表现为脆性薄边断裂，有显微结构蠕变损坏迹象，断裂处金属硬度剖面降低。在余热锅炉机组中，由于鳍片的作用，短期过热与长期过热之间的差别可能极其微小。表44-1过热器/再热器管中长期过热/蠕变、短期过热与向火侧腐蚀（燃煤机组）的特性比较特性长期过热短期过热向火侧腐蚀断裂面和损坏外观普遍的厚边、脆性最终破坏。一般在10点钟和2点钟位置伴有外部管子损耗。一般为薄边、韧性最终破坏。管子膨胀，没有椭圆化。管子断裂的“鳄鱼嘴”外观。管子损耗，特别是在10和2点钟位置。纵向破裂，最终破坏可因（但不一定是）过热引起。是否厚的内部氧化物？是，铁素体合金上广泛的多层氧化物，剥落。不一定厚密。取决于破坏时管子的使用时间。是，特别是当管子金属过热是根本原因的时候。但是过热对于向火侧腐蚀不是绝对必要的。是否生成外部氧化皮？是，厚密、分层，通常在纵向上破裂。 一般为两层（1）一层为硬质多孔外层，成分一般为飞灰，（2）黑色光滑内层，多为氧化物，但也可能含有一些硫酸盐和铁的硫化物。不一定厚密。是，多层：（1）一层为硬质多孔层成分一般为飞灰，（2）含有复合碱硫酸盐的中间层，和（3）黑色光滑内层，多为氧化物、硫酸盐和铁的硫化物。除去氧化皮/沉积物后的外表面外观特性化纵向沟纹和点蚀（“鳄鱼皮”）。膨胀，管子金属上有萎缩纹。特性化纵向沟纹和点蚀（“鳄鱼皮”）。有时腐蚀区域光滑和无特征。有时在严重腐蚀处有“桔皮”外观。外部氧化皮/沉积物的构成不含碱性铁硫酸盐等低熔点灰化合物。无关。不含碱性铁硫酸盐等低熔点化合物。管壁是否变薄？一般在10和2点钟位置出现加速氧化引起的损耗平面。靠近管子处始终有一层氧化物。管材膨胀是唯一原因。损坏的主要特征，在10和2点钟位置可能更糟。根据腐蚀速度，管子上可能会留一层氧化物保护层，也可能熔化。表44-1过热器/再热器管中长期过热/蠕变、短期过热与向火侧腐蚀（燃煤机组）的特性比较（续）特性长期过热短期过热向火侧腐蚀管壁损失与蒸汽侧氧化物厚度之比是多少？一般小于3:1无关。一般大于3:1，比值大于5:1时，向火侧腐蚀或侵蚀是主要机理。管材退化是，一般为广泛的过热和/或蠕变损坏迹象，特别是在裂纹尖端附近。除T91合金外，在离开裂纹尖端的地方看不到蠕变空隙。取决于材料和达到的最高温度。例如，对于大多数快速过热损坏，显微结构的变化一般较小。如果过热是问题，则是。否则就不是。向火侧腐蚀可发生在处于设计温度下的管子中。可以是靠近向火侧沉积物的一个渗碳带。（Lopez-Lopez，1995年）。材料硬度改变一般中靠近断裂处出现局部软化。可能在靠近断裂处出现局部软化。不一定硬化；如果没有过热，硬度将不会改变。如果渗碳与腐蚀有关，则硬度可能增大（Lopez-Lopez，1995年）。注1：在余热锅炉机组中，鳍片的存在会显著改变管子损坏的外观。鳍片起着加固的作用，损坏可表现为鳍片之间的针孔。因此短期与长期过热损坏在外观上的差别很小。1.2 损坏位置常规机组在常规机组中，短期过热损坏既可发生在过热器中，也可发生在再热器中。短期过热最常见的原因是氧化物从奥氏体材料上剥落，这种情况发生在过热器中。注意，断裂不会在堵塞位置发生，而是发生在对于某种材料，管金属温度最高的被堵塞的管路中，通常在过热器垂直回路中的底部弯管（图44-5）或出口管段中。图44-5常规机组过热器中短期过热（氧化物剥落引起）引起的损坏的典型位置。在停机过程中，在奥氏体管段AB中剥落的氧化物落入弯管B中，导致堵塞。在铁素体材料中，损坏一般发生在“X”处。1.3 损坏位置余热锅炉机组短期过热引起的损坏可发生在蒸汽冷却管（即SH-RH）或水冷却管的较热段（即蒸发器）。迄今为止，短期过热损坏一直是使用管道燃烧器的机组中前排过热器管中最常见的故障。以下位置易发生过热型损坏：离烟气进口最近的管子，特别是在辅助燃烧器下游近处。弯管下游的管子及剥落的氧化物、碎屑、凝结水等能够聚集并导致堵塞的其他位置。1.4 易受影响的材料氧化物生长可发生在铁素体和奥氏体管材中。这些氧化物最终会出现穿透氧化物的裂纹或散裂和剥落。铁素体的剥落是汽轮机发生固体颗粒侵蚀的主要原因，而奥氏体的剥落是由于薄片尺寸较大，容易因管子堵塞引起短期过热。如图44-5所示，短期过热造成的最终损坏易发生在铁素体材料中，但是如果在过热器回路中没有铁素体管存在，也会发生在奥氏体管中。图44-1就是一个举例。尽管各类材料之间没有差别，但是所有铁素体和奥氏体材料都会表现为氧化皮生长和最终剥落。第4A章详细讨论了氧化物的生长和剥落。另外最近的研究也证实，T91铁素体和347 HFG型奥氏体不锈钢与常规材料的氧化不同，两种材料都会剥落。虽然迄今为止还不知道T91材料是否发生短期过热（STO）损坏，但是在配备有T91联箱的余热锅炉机组中，在停机后由于阀门卡死发生了严重的剥落。甚至347 HFG型这种为降低氧化物生长速度而开发的细晶粒奥氏体不锈钢也出现了与早期短期过热损坏有关的问题，见案例研究II。2.损坏机构当蒸汽在过热器/再热器中的正常冷却效应不再起作用时，就会发生短期过热，从而导致管子金属温度迅速升高。当管子被加压并且暴露于异常高的烟气温度时，或（更常见）暴露于接近或略高于设计温度的烟气温度，但没有受到蒸汽或水流的适当冷却时，就会发生短期过热损坏。如果堵塞严重，损坏可在几分钟内发生（见图44-6）。图44-6温度、应力与相对蠕变断裂寿命之间的关系。在余热锅炉机组中，破坏时间很可能要长，因为最热排管子的设计温度可能比最高进气温度低56（100）。由于材料的韧性增大，会出现明显的局部膨胀。最终断裂由于发生在非常高的温度下且没有任何冷却，因而是韧性的，带有并发特性。与短期过热损坏有关的冶金损坏机理为塑性破坏（超过短期、攀升温度拉伸强度）或短期穿晶或晶间蠕变。3.0 可能原因和确认行动常规机组3.1 概述短期过热有三组原因：氧化物堵塞、维护和运行。在常规机组中，由于氧化物从奥氏体管材上剥落，短期过热引起的损坏可发生在过热器中。短期过热还可因其他各类维护引起的堵塞（如化学清洗废物）以及运行问题等原因发生在常规机组的过热器或再热器中。表44-2汇总了可能原因、确认行动以及纠正措施。表44-2主要原因、确认和纠正措施机理：常规机组中过热器/再热器管的短期过热主要原因确认行动快速行动和解决方案长期行动和重复损坏预防3.2 过热器管中剥落的氧化物引起的管子堵塞（a）拆卸损坏的管子，确认堵塞源。可能需要进行金相检查。关于此类技术的概述，请参阅第1卷第8章。（b）检查机组中是否有剥落迹象，如汽轮机中发生固体颗粒侵蚀（SPE）。（c）对有类似堵塞的其他位置进行无损探伤，如射线检查。（d）对于奥氏体材料，用手持式磁铁检测弯曲中散裂的氧化物。用无损探伤方法确定堵塞的管子。拆卸堵塞的管子。吹出碎屑和更换管子，如果不易吹除，拆卸弯管并更换管路。如果问题是奥氏体材料发生剥落，暂时解决方法是改变运行程序，以限制温度瞬变；特别重要的是应最大限度地减小强制或快速冷却。增大冷却频率，促使较少量的材料发生更频繁的剥落（对于长期运行而不停机的机组）。制定监控和预防蒸汽侧氧化物过度聚集的长期计划。采用直接热电偶方法、对氧化皮厚度进行无损检测或对管子进行取样以测量氧化皮厚度等，定期评价管子金属温度。对过热器/再热器进行化学清洗是一个主要选择。详见第1卷第6章。调查空气或蒸汽吹扫或强制冷却的使用（见第5节中的主要正文）。用在停机过程中空气吹出集聚的氧化物。如果更换管路，应考虑更换为氧化物形成和剥落较少的材料。3.3过热器或再热器中因维护引起的短期过热3.3.1 化学清洗不当。- 过热器/再热器：冲洗方法不良在弯曲中留下沉积物。- 水冷壁：化学药品挥发进入过热器回路或过热器回注不好。（e）同前面的（a）。（f）评审化学清洗程序。详见第1卷第6章。同前文的管子堵塞，另外还要清洗管子，除去堵塞源。改用正确的化学清洗程序和频率。表44-2主要原因、确认和纠正措施机理：常规机组中过热器/再热器管的短期过热（续）主要原因确认行动直接行动和解决方案长期行动和重复损坏预防3.3.2 修理不当，各种维护缺陷（g）评审修理记录，与损坏位置关联起来。更换管子。确保电厂有最佳的焊接/修理/维护程序用于管子修理或主要过热器/再热器的更换。关于管子修理和更换的其他讨论，见第1卷第13章。3.4 过热器或再热器中运行引起的短期过热3.4.1 机组停机和启动不当（过热器/再热器弯管中聚集凝结水）（h）检查出口热电偶；确定管子是否因没有流量而变冷。（i）评审停机程序；确定是否采用了适合的程序进行煮沸将凝结水蒸发。更换管子。评审和优化停机程序。3.4.2 当一台顶部给水加热器停运时出现过烧。（j）评审给水加热器运行和检修记录。更换管子，对相邻区域进行无损检查。评审和优化加热器停运时和操作程序，认真监控蒸汽/金属温度。3.2 过热器管中剥落的氧化物引起的管子堵塞这是过热器中短期过热引起管子损坏的最常见原因。氧化物在过热器回路中生长和剥落是结构材料在高温下运行的结果。第4A章详细讨论了这一过程。氧化皮的生长速度和剥落速度取决于结构材料。在正常运行条件下，在过热器中铁素体上生长的氧化皮是汽轮机发生固体颗粒侵蚀（SPE）的最主要因素。但是对于短期过热而言，关系较密切的氧化皮是在奥氏体过热器管材中产生的氧化皮。在铁素体材料上形成的多层氧化皮对温度变化有一定的耐受力，而在奥氏体管的蒸汽侧只形成一个双层氧化皮。四氧化三铁外层在受到严重温度瞬变（如在停机和冷却过程中）时非常容易剥落，这是因为四氧化三铁与奥氏体不锈钢基底金属之间的热膨胀系数存在显著差别。一旦氧化皮发生剥落，管子堵塞倾向就会随以下因素变化（FP-686，1978年）：薄片尺寸和形状、薄皮强度和硬度、管子内径、管子中的收缩和缺陷、管子中的流速、摩擦系数、以及管子中散裂的氧化物的总量。与铁素体材料上剥落的氧化皮相比，剥落的颗粒的尺寸较大，直径可达2.5厘米（1英寸）。因此这些大颗粒的聚集，特别是在小直径管段的弯曲部分，更容易造成管子堵塞。启动后，蒸汽通过堵塞的管子时流动受到限制。堵塞物耐受锅炉压力的能力取决于薄片的方位。在低流速下，薄片翻滚，直至定向在一个在液体动力学上稳定的位置；一旦达到这些位置，随后产生的高流速并不始终破坏它们。因此在与锅炉启动有关的低蒸汽流量下达到这些稳定位置时，就会发生管子堵塞。对薄片运移的研究（FP-686，1978年）发现，薄片在低速下形成一个拱形的重叠楔。形成堵塞的最终参数是薄片尺寸与管子半径的比值（约1:3）。薄片拱耐受随后的流体力的能力随薄片厚度变化；100 m薄片可能能够耐受破裂，而20 m薄片可能会破裂。损坏一般发生在离开堵塞的位置，一般在向低等级（抗蠕变性较小）材料过渡的位置，或在同级材料中壁厚改变的位置。机组长期连续运行实际上将增大发生问题的可能，因为奥氏体材料上的氧化物厚度会继续增加，然后在停机时剥落。确认此原因的措施：（a）拆卸损坏的管子确定堵塞源。为采用适合的纠正措施，区别堵塞源是非常重要的。例如，应区别奥氏体或铁素体原材料的蒸汽侧氧化物与化学清洗后的残留物。为证实堵塞源，可能需要进行金相检查，包括用能量色散X射线光谱法确定堵塞材料元素成分的特性。从奥氏体材料上剥落的氧化物一般只由Fe3O4组成，而从铁素体材料上剥落的氧化物通常至少由两层组成，一层为Fe3O4，另一层为铁铬尖晶石。从铁素体上剥落的氧化物通常是多层的。第1卷第4A章对铁素体和奥氏体材料上形成的氧化皮进行了更详细的讨论。（b）检查是否有剥落。如果有入口，用光学纤维能够容易地识别剥落。如果发生剥落，还可以对候选管路直接取样或解译机组的其他信号来确认。例如，汽轮机高压缸或低压缸或阀门中是否有固定颗粒侵蚀。（c）用无损检测方法（如射线检查）确认未引起破坏的类似堵塞。可用无损检测方法检查类似位置是否发生管子堵塞。也可让温水流过可疑管段，用手或温度监控器检查管子是否温热，验证流量是否足够。（d）对于奥氏体材料，用手持式磁铁检测弯管中散裂的氧化物。3.3 过热器和再热器中维护引起的短期过热3.3.1 化学清洗不当。第56章将过度化学清洗引起的管壁变薄和腐蚀作为过热器/再热器管的一个单独的炉管损坏机理进行讨论。这里所要讨论的问题是能够直接引起管子堵塞和随后产生过热的化学清洗工作的其他方面。必须注意在清洗后对过热器/再热器进行充分冲洗。用蒸汽或空气对系统进行最终冲洗，可除去松动或移位的氧化皮。需要采用一定程序来保证已除去悬吊回路底部的氧化皮，最终系统冲洗并不总是能够除去此位置的氧化皮。一个让我们关心的问题是，用化学清洗方法除去的氧化皮和化学清洗残留物有可能聚集在过热器/再热器的弯管中，导致流动受限，并在随后发生前文所述的破坏。用手检查来验证流量的方法是过热器/再热器部分化学清洗的一个推荐部分。第二个问题是在对水冷壁和省煤器进行化学清洗的过程中，过热器得不到足够的保护。如果过热器回注不正常，挥发性或液体清洗液可进入过热器回路，导致其被意外和不完全清洗。从而使碎屑聚集在弯管内，因短期过热引起故障。确认和评价这一原因的行动包括：（e）见前文中的（a）。（f）评审化学清洗程序。例如，如果已清洗了过热器/再热器，是否通过具体的现场试验证实了通向每个并联回路的流量？是否采集了管样并进行了分析以确认清洗过程有效？如果清洗工作在水冷壁或省煤器中进行，是否有适合的安全装置来保护过热器？关于过热器/再热器化学清洗的其他详情，请参阅第1卷第6章。3.3.2 修理不良及其他维护缺陷。修理不当或不良习惯如焊熔金属飞溅物过多、在管路内留下修理碎屑、工具、松动的五金件或其他材料等，可造成堵塞，导致短期过热损坏。这样的问题并不普遍，但是如果采用良好的修理方法，将能够避免此类问题的发生。确认方法如下：（g）评审修理记录，确定观察到的损坏与最近的修理位置是否对应。3.4 过热器和再热器中运行引起的短期过热3.4.1 停机和启动不当。如果在机组停机后凝结水聚集在过热器/再热器弯管中，那么在启动后通向该管路的蒸汽流量会被阻止，导致过热，特别是在锅炉快速启动后。确认和评价这种原因的行动包括：（h）检查出口处的热电偶，确定是否管子低温运行，低温运行表明没有流量。（i）评审停机程序，确定其是否足以将凝结水蒸发。3.4.2 当一台顶部给水加热器停运时发生过烧确认和评价这一原因的行动包括：（j）评审给水加热器的运行和检修记录以及蒸汽/金属温度记录，看是否发生了过热。4.0 确定损坏程度常规机组如果维护有错误，即使可能识别出损坏型式或孤立的受影响管子，也应对其他堵塞位置进行100%的检查。可用（i）磁铁在管子，（ii）射线照相，（iii）拆卸管子，或（iv）测量管子外径看是否膨胀等方法检查奥氏体材料回路中是否发生了堵塞。在铁素体管中，只能使用后三种方法。确定化学清洗后管子是否堵塞的推荐方法是使水在温度变化的状态下循环。用手检查或一个热工仪表测量管子温度可以知道哪根管子没有流量。5.0 修理、快速解决方法和行动常规机组出现短期过热时快速识别问题是很重要的。典型现场经验是（1）管子损坏，（2）修理/更换受影响的弯管，（3）机组在线，和（4）管子再次损坏这样的一重复循环过程。为避免发生可预测的强制停机，应在机组恢复在线之前查明具体原因和问题程度。一种用于评价是否已除去所有损坏材料的方法是测量发生明显膨胀的管子的外径和更换原始直径已增大1%的管子（Barnett，1995年）。应在机组恢复运行前拆卸所有堵塞的管子，修理/更换所有受影响的弯管。如果问题是从奥氏体不锈钢上剥落，可采用一种临时解决方法，即限制过高的温差（如在强制冷却过程中），但必须是在确定出一种较长期的解决方法后。这样做是有用的，因为与铁素体管材相比，这样的氧化皮对温度瞬变更敏感。另一种可能的改变运行的方法是增大机组停运频率。缩短锅炉金属冷却间隔时间有助于使较少量的四氧化三铁锈层更多地剥落，从而最小限度地减小管子堵塞总量。这种方法适合于持续运行3或4年的机组，但是在这种情况下，这种改变运行程序的方法不能解决高压旁路控制阀密封面损坏这一问题（Hughes，2002年）。在机组启动过程中已用蒸汽吹扫或吹气方法来排出四氧化三铁锈层。最近还开发出一种蒸汽侧强制见冷却方法，这种方法已经用于一些发生严重短期过热问题的机组（Hughes，2002年）。结果显示，锅炉注入空气后压力突然降低，能够有效去除较长的大片四氧化三铁锈层堵塞。在很多并联路径对一些单个堵塞点进行试验（离排气点70米（230英尺），结果显示这种方法非常有效（Hughes，2002年）。6.0 长期行动和重复损坏预防常规机组如果损坏是因聚集的蒸汽侧氧化物剥落引起，需要采用一种长期的监测和预防问题重复发生的方法。案例分析1中描述的程序说明了一种关于解决此问题的综合方法。如果氧化物严重聚集，需要对过热器/再热器进行化学清洗。第1卷第6章概述了这种方法，并且有这种方法的详细操作手册（1003994，2001年）。建议更换为氧化物产物较少的替代管材。也可以使用经过喷丸或内部冷作的材料。另外还可以使用347 HFG型这样的特殊设计材料。347 HFG型材料是一种细晶粒材料，是专为提高对氧化物生长的耐受力而研制的，因为细晶粒结构能够阻止铬和铁迁移。但是最近的研究工作（如本章第4A和案例分析II所述）表明，这种材料易发生剥落问题。一旦形势得到控制，应制定一个监控方案以确定受影响管子中氧化物聚集的严重程度。这样的监控可包括用超声波检查方法直接测量氧化皮厚度，采集管样确认氧化皮类型和程度，用热电偶直接测量或分析氧化皮聚集量来确定温度等。7.0 对机组其他部件可能造成的后果或问题常规机组如果存在短期过热或其预兆，炉管损坏研究小组应评审其他循环部件可能造成的后果。表44-3大致说明了短期过热的各个方面、其他循环部件警示以及应采取的措施。表44-3常规机组中存在短期过热损坏时可能造成的后果及应采取的措施短期过热方面其他循环部件警示应采取的措施存在厚密和剥落的氧化物。汽机部件有可能发生固体颗粒侵蚀损坏。过热器/再热器管有可能长期过热，造成管子使用寿命损失。对锅炉进行化学清洗。见第1卷第6章。用氧化物技术进行剩余寿命评定。8.0 案例分析常规机组案例分析1过热器/再热器短期过热案例分析：过热器现场损坏和化学清洗分析背景。三台额定出力为600MW并且运行25000小时的超临界机组在二级过热器中开始出现管子损坏。总共有15根管子爆裂。损坏总是在机组冷态启动过程中发生。损坏位置在SA213-T12材料中。通过检查，发现堵塞是由于304型材料剥落引起，这种材料占二次过热器材料的45%左右。304型管子的最小内径为22.8毫米（0.90英寸），最小弯曲半径为28.5毫米（1.12英寸）。损坏外观。损坏表现为典型的短期过热迹象，包括带有薄边的鳄鱼嘴开口，管径显著增加（40%），没有椭圆化迹象。对T12进行显微组织检验显示有相变，表明超过了其临界温度Ac1，即740（1364）。硬度从维氏 160增大到维氏260度。氧化层快速形成。根据形态和厚度估计，这种损坏发生在15分钟以内。检查结果。对下部弯管进行100%伽马射线检查以识别堵塞的管子。约50%的弯管显示有部分或完全堵塞，总共有27根管子堵塞。测量T12和522管子外径发现有16根管子膨胀。对304型和铁素体管子进行了选择性取样。分析内部氧化皮。在304型管样上发出形成了双层氧化皮，只有外层（离蒸汽最近）显示有剥落。分析堵塞材料的化学成分后，确定这种剥落的氧化皮引起的管子堵塞物基本上全部是Fe3O4。其中一些氧化皮的宽度达到10毫米（0.39英寸）。解决方法：用气吹方法清洗经检查发现堵塞程度在40%或以上的所有管子。用临时操作程序限制温度剧增，直至最终确定出纠正措施。重点采用无损检测方法确定损坏程度和对二级过热器进行定期化学清洗。制定了化学清洗程序。不用氟化氢铵而用羟基乙酸（6%）。在清洗过程中和清洗之后进行全面监控，包括温度、pH、总酸度测量、铁、铬和镍离子分析、流速测量、继续腐蚀速度监测、管子温度监控和试验后取样。结果显示非常有效地清洗了T12、T22和304型材料。案例分析2超临界机组中347 HFG管子严重剥落机组描述。该电站有两台400MW超临界机组。主蒸汽最终温度为568（1054），再热温度569（1056）。图44-7是锅炉正视图。图44-7过热器和二级再热器布置正视图。末级再热器中有664个并联路径，悬吊管的垂直支承管为9米（29.5英尺）长。如图所示，在二级、三级和末级过热器和末级再热器中使用了347 HFG材料。再热器管的原始壁厚为4毫米（.0.157英寸）。问题描述。这两台机组发生了严重的347 HFG材料剥落问题。在运行过程中形成的氧化物在冷却时散落。四氧化三铁/赤铁矿层越厚，在冷却过程中就越可能剥落。剥落的氧化物导致机组出现许多问题，包括（1）管子堵塞，（2）阀座固体颗粒侵蚀，（3）汽轮机叶片固体颗粒侵蚀，（4）疏水弯管外弧面出现沟纹，导致最终破坏，和（5）在机组启动过程中凝结水精处理装置绕过高三角压力。图44-8是运行1.5年和连续运行2000小时后末级再热器的一个弯管图片。图44-8末级再热器上严重剥落的弯管。氧化产物是赤铁矿和四氧化三铁混合物。磁性测量。对机组进行检测以确定问题程度。磁场强度值为0（没有四氧化三铁锈层存在）到4（稀土磁体重量超过夹带的四氧化三铁锈层吸力，表明一根弯管内的剥落产物超过50%）。检测发现三级和末级过热器的剥落很小，而比三级和末级过热器高15（27）左右的二级再热器在入口和出口支承管上均发生剥落。尽管入口支承管温度低很多，预计在运行期内产生的氧化物明显要少，但是剥落的氧化物的分布在二级再热器入口和出口支承管之间是相同的。评价氧化物。图44-9和44-10是从二级再热器上截取的管样。第4A章中讨论了这种氧化物。它表明了一种比一般奥氏体剥落时间更早的非典型形态。图44-9从二级再热器上截取的管子和氧化物试样。图中用“1”表示基底金属。内层富铬氧化物用“2”表示，还有一层富铁的多层外层。图44-10从二级再热器上截取的管子和氧化物样本。图中第“6”层为赤铁矿。行动。为最大限度地减少问题，采取了一些措施：改变机组的运行方式，使其在不到4个月时间冷却一次，以限制释放的剥落材料量，防止管子堵塞。每次冷却时进行检查，确定弯管中剥落的材料数量。继续截取管样。机组启动时对过热器和再热器进行蒸汽吹扫。案例分析3304型过热器管子损坏问题描述。更换为低合金铬钼管路后，在投入运行15个月时，304型过热器管出现了一些问题。两个主要管子损坏问题是截面增大，鳄鱼嘴断裂。损坏发生在机组启动后一天或两天内。图44-11是一个例子。图44-11304型过热器管中厚截面鳄鱼嘴损坏外观机组还出现了严重的剥落问题。图44-12是损坏的现场视频内窥镜图像和实验室照片。图44-12304型管中的剥落：现场视频内窥镜图像（左）和实验室（右）照片图44-13所示是显示堵塞50%的弯曲X射线照片。图44-13现场射线照相结果，显示弯管的堵塞程度。调查。对损坏所做的调查揭示出几个起作用的因素。在停机过程中因凝结水进入，导致过热器中出现大量的水，或为保护过热器而添加的大量水在机组再启动后未清除。原因之一是在负荷水平非常低时使用了过热器减温喷水，而在此时过热器段温度降至饱和温度。对机组进行巡检发现有些组件中的管子失调，偏差在一倍直径以上。这种状态很普遍，它使得管子直接暴露于气体流时，管子金属温度升高。虽然304型材料有着良好的高温特性，但是有些管子装有孔板，因而限制了蒸汽流，不能直接暴露于气体流。失调还导致吹灰器侵蚀增加。冶金分析发现剥落的氧化物大部分带有磁性，厚度为0.05至0.07毫米（0.002至0.003英寸）。弯曲半径（25毫米（1英寸）和化学性质表明，剥落的氧化物是304型管子引起的（与304型管子上留下的内层氧化物一致）。结论。对损坏所做的调查和观察得出以下结论：两个主要损坏是长期过热/蠕变引起，有可能因短期过热事件而加重。过热的最可能原因是304型材料剥落造成流道堵塞，在启动过程中减温水或过热器中其他水可能加重了过热。剥落原因是在运行过程中氧化皮聚集和在停机过程中氧化物剥落。管子失调和流道堵塞加剧了蒸汽侧厚密氧化层的聚集（机组启动后过热器中的水和随后的剥落引起）。管子失调可能因减温水过多或水力除渣导致温度骤降引起。措施。采取以下措施：对过热器进行化学清洗。纠正失调的管子，制定监控程序以保证其不再发生。调整运行，包括（1）改用水力除渣，（2）减温器流量，和（3）停机/启动程序，防止启动过程中过热器中的水聚集。制定运行和设计策略解决剥落问题。包括（1）重新分配蒸汽流量，（2）停机过程中使用剥落旁路系统和辅助空气流动系统，（3）安装空气吹洗系统，除去剥落的氧化物，和（4）降低蒸汽总体温度。对于余热锅炉机组9.0 余热锅炉机组中的损坏性质见本章开始第1.0节对常规和余热锅炉机组的讨论。10.0 余热锅炉机组中的损坏机理见本章开始第2.0节对常规和余热锅炉机组的讨论。11.0 可能原因和确认行动余热锅炉机组11.1 概述表44-4汇总了主要原因影响、确认行动和纠正措施。注意余热锅炉中发生的短期过热损坏迄今尚未与铁素体材料（奥氏体材料一般不存在）引起的蒸汽侧氧化物聚集关联起来。其他信息见第4A章。表44-4主要原因、确认和纠正措施机理：余热锅炉机组过热器/再热器管的短期过热主要原因确认行动快速行动和解决方案长期行动和重复损坏预防11.2 以下原因引起气体温度过高：- 辅助燃烧器过烧-燃气轮机（CT）燃料控制全部发生故障- 辅助燃烧器在分流挡板部分打开或燃气轮机排气流量低的情况下运行。（a）目视检查辅助燃烧器下游的火焰类型。（b）在损坏处附近和燃气轮机排气管道中进行烟气温度测量。（c）检查运行状态（如分流挡板位置、燃气轮机排烟流量、辅助燃烧器燃烧速度）。（d）对管子进行金相检测。修理/更换受影响的管子。消除烟气温度过高原因或最小限度地减少辅助燃烧器的运行。调整运行参数（辅助燃烧器燃烧速度、分流挡板位置、燃气轮机排气量等）。调整辅助燃烧器的设计。改进辅助燃烧器下游近处管材或管子鳍片的设计。11.3 化学清洗不合适，导致碎屑堵塞（冲洗阶段不足）。（e）用视频内窥镜检查低点或弯管。（f）对损坏的管子进行冶金评价。（g）评审化学清洗程序。修理/更换受影响的管子。调整化学清洗程序，包括清洗后冲洗和蒸汽吹扫。表44-4主要原因、确认和纠正措施机理：余热锅炉机组过热器/再热器管的短期过热（续）主要原因确认行动快速行动和解决方案长期行动和重复损坏预防11.4 修理/维护不当（h）用视频内窥镜检查联箱内孔中是否堵塞。（i）检查修理记录和位置。修理/更换受影响的管子。确保进行了整个维护后家务管理。11.5在管内注满凝结水的情况不启动（j）检查热电偶看温度是否不平衡。（k）评审疏水和减温器设计和运行。（l）评审启动程序。修理/更换受影响的管子。调整疏水（数量、位置、尺寸、接头等）或运行方法，确保启动前完成排放凝结水。11.2 气体温度过高由于正常非燃烧气体温度并不显著高于管子设计金属温度，因此估计余热锅炉中的短期过热损坏主要与辅助燃烧器的运行有关。燃气轮机燃料控制装置总体故障也会导致短期过热损坏。管道燃烧器在分流挡板部分打开的情况下运行导致气体速度降低，燃烧器下游的气体出现不均匀和局部化高温，也会导致短期过热损坏。确认和评价这一原因的行动包括：（a）目视检查辅助燃烧器下游的火焰类型，看是否有火焰冲击、局部化过热或热变形。（b）在损坏处附近和燃气轮机（CT）排气口中测量烟气温度。（c）评审损坏时和损坏前的运行状态（如分流挡板位置、燃气轮机排气流量、辅助燃烧器燃烧速度）。（d）对管子进行金相检查。11.3 化学清洗不当导致碎屑堵塞必须注意在清洁后充分冲洗过热器/再热器。用蒸汽或空气进行系统最终冲洗可除去任何松动或移位的氧化皮。需要采用某种程序来保证除去低点弯管或联箱中的氧化皮；系统最终冲洗并不始终能够达到这一目的。我们关心的一个问题是，用化学方法除去的氧化物和化学清洗残留物有可能聚集在过热器/再热器弯管中，导致流量受限，并在随后发生损坏。确认和评价这一原因的行动包括：（e）用视频内窥镜检查低点或弯管。（f）按第（d）条所述分析损坏的管子。（g）评审化学清洗程序。例如，如果清洗了过热器/再热器，是否用具体的现场试验确认了每个并联回路的流量？是否截取了管样并进行了分析，以确认清洗过程的效果？11.4 修理不良、各种维护缺陷修理不当或不良习惯如焊熔金属飞溅物过多、在管路内留下修理碎屑、工具、松动的五金件或其他材料等，可造成堵塞，导致短期过热损坏。这样的问题并不普遍，但是如果采用良好的修理方法，将能够避免此类问题的发生。确认方法如下：（h）用视频内窥镜检查联箱内孔是否堵塞。（i）评审修理记录，确定观察到的损坏与最近的修理位置是否对应。11.5 在管内注满凝结水的情况下启动如果在机组停机后因停机程序不是最佳或疏水不好，造成凝结水聚集在过热器/再热器管或联箱底部，那么在启动后通向该管子的蒸汽流量会暂时被阻止，导致过热，特别是机组快速启动时（如最可能发生在一机两炉或一机三炉的滞后余热锅炉中）。投入在线的第一台余热锅炉（超前余热锅炉）出现凝结水引起的短期过热的可能性要小，因为在超前燃气轮机排气流量低的情况下启动这三台机组是很常见的。因此即使管子注满凝结水，在流体清除前也不可能过热。在后一种情况下凝结水聚集更可能是疲劳问题，而不是短期过热问题。滞后余热锅炉通常在燃气轮机排气流量非常高的情况下启动。这种做法是我们不期望的，在蒸汽冷却管金属温度接近烟气温度（620 650（1150 1200），取决于燃气轮机等级）时，有可能缩短启动时间（510分钟左右）。由于在这部分启动循环过程中，蒸汽压力很可能不超过满负荷压力的一半或三分之二，这种压力温度组合在一次启动中很可能不会造成短期过热损坏。但是每次启动都将产生蠕变损坏，配备有不适合凝结水疏水系统的机组和过于快速的启动方法估计会造成过早的长期过热损坏。在特别严重的情况下（可能受过度减温的影响），凝结水可能存在很长时间，从而造成短期过热损坏。确认行动：（j）检查出口部分的热电偶，确定是否有管子变热，管子变热表明流量低。另外在过热器/再热器中开始流动后，热电偶也可能指示因凝结水正向流量引起的较大温度波动。这清楚地表明疏水控制不好和/或疏水设计不好，或减温过度。（k）评审疏水设计和疏水装置和减温器的运行。（l）评审启动程序，特别是当滞后余热锅炉中出现损坏时。12.0 确定损坏程度余热锅炉机组对于短期过热损坏，如果维护有错误，即使可能识别出损坏型式或孤立的受影响管子，也应对其他堵塞位置进行100%的检查。可用（i）射线照相，（ii）拆卸管子，或（iii）测量管子外径看是否膨胀等方法检查是否发生了堵塞。确定化学清洗后管子是否堵塞的推荐方法是使水在温度变化的状态下循环。用手检查或一个热工仪表测量管子温度可以知道哪根管子没有流量。13.0 修理、快速解决方法和行动出现短期过热时快速识别问题是很重要的。为避免发生可预测的强制停机，应在机组恢复在线之前查明具体原因和问题程度。在常规机组中，测量管子外径，将管子更换为直径增大不超过1%的管子，评价是否除去了所有损坏的材料。但是目前的现场经验还不足以知道膨胀测量能否可靠地说明鳍片管中的损坏。应在机组恢复运行前拆卸所有堵塞的管子，修理/更换所有受影响的弯管。如果问题是从管材上剥落，可采用一种临时解决方法，即限制过高的温差（如在强制冷却过程中），但必须是在确定出一种较长期的解决方法后。也可以纠正明显的“偏离设计”的条件，如通道狭窄，和烟气侧燃烧问题，如燃烧不均匀或燃料燃烧器、可纠正的过高烟气温度等。14.0 长期行动和重复损坏预防预防短期过热损坏需要降低局部烟气温度或纠正使管子蒸汽/水冷却能力降低的条件。包括调整运行参数（辅助燃烧器燃烧速度、分流挡板位置、燃气轮机排气量等），或调整辅助燃烧器设计。为避免引起可能的堵塞和冷却流量损坏，应保证在所有维护活动中（包括化学清洗）采用良好的家务管理方法。对于蒸汽侧氧化物剥落和聚集引起的短期过热损坏，需要采用一个长期计划来监控和预防问题重复发生。对于严重的氧化物聚集，应对过热器/再热器进行化学清洗。目前已有了余热锅炉机组化学清洗方法的详细手册（1004499，2003年）。15.0 对机组其他部件可能造成的后果或问题余热锅炉机组机组如果存在短期过热或其预兆，炉管损坏研究小组应评审其他循环部件可能造成的后果。表44-5大致说明了短期过热的各个方面、其他循环部件警示以及应采取的措施。表44-5余热锅炉机组中存在短期过热损坏时可能造成的后果及应采取的措施短期过热方面其他循环部件警示应采取的措施存在厚密和剥落的氧化物。汽机部件有可能发生固体颗粒侵蚀损坏。过热器/再热器管有可能长期过热，造成管子使用寿命损失。对锅炉进行化学清洗。见第1卷第6章。用氧化物技术进行剩余寿命评定。16.0 案例分析余热锅炉机组此机理没有案例分析。17.0 参考文献1003994，2001年。常规化石燃料机组设备化学清洗导则，EPRI，加利福尼亚州，帕洛阿尔托，CA：2001年，1003994。1004499，2003年。余热锅炉（HRSG）化学清洗导则EPRI，加利福尼亚州，帕洛阿尔托，CA：2003年，1004499。Barnett，1995年。个人通信 D. Barnett（Pacific Power）to R.B. Dooley，1995年2年。FP-686，1978。过热器和再热器管钢蒸汽引起的氧化物的剥落。EPRI，加利福尼亚州，帕洛阿尔托，CA：1978年。FP-686，1798。Hughes，2002年。Hughes. A，“在锅炉停运时，从管孔中清除剥落的四氧化三铁锈层的方法”，记载于锅炉炉管损坏和余热锅炉管损坏和检查国际会议记录中，EPRI，加利福尼亚州，帕洛阿尔托，CA：2002年。1007347第8-14到8-27页。Lopez-Lopez，1995年。个人通信，D. Lopez-Lopez（IIE，墨西哥）to R.B. Dooley，1995年5月。提高对蒸汽管氧化皮剥落的预测I.G. Wrighta、M. Schutzeb、P.F. Tortorellia和R.B. Dooleyc奥克里季国家实验室a，美国田纳西州，奥克里季德国，法兰克福，DECHEMAb美国电力科学研究院，美国北卡罗莱纳州，夏洛特摘要目前的机械论方面的理解是，高温中形成的氧化皮在其应变超过某一临界极限时，会脱离其生长的金属表面。这种应变积累主要在运行温度降低后发生，原因是氧化物与合金基底之间的热膨胀系数失配。当氧化皮厚度和温度变化速度增大时，应变积累也会增大。剥落时脱离的氧化皮数量以及氧化层薄片尺寸和形状也很重要，因为这些因素影响碎屑在蒸汽回路中的最终目的地。鉴于机械论对氧化过程的理解，可以通过分