电站炉管爆破的金属试验分析

27五月2023电站炉管爆破的金属试验分析据统计，电站锅炉“四管”的爆漏事故占机组非计划停用时间的40％，占锅炉设备非计划停用时间的70％。是影响机组安全、经济运行的主要因素之一。根据江苏省电站锅炉压力容器检验中心对在2001-2004年发生的“四管”爆漏情况进行分析，发现许多发电厂的“四管”爆漏是由一些共性的原因引起，为正确判断爆管的机理，选用正确的金属试验方法是做好分析工作的基础。下面对如何做好锅炉“四管”爆管的金属试验与分析进行一些讨论。一、炉管发生爆破后需解决的问题发生爆管后我们需要解决三个问题：1、确定爆管的机理；2、找出爆管的原因；3、制订防止爆管再次发生的措施。金属试验分析对解决这三大问题起到重要的作用。

二、对爆管（或炉管）进行金属试验分析的目的：1、确定炉管的损伤情况和造成损伤的机理；2、提供对其它炉管的寿命进行监督的重点内容，为寿命评估和维修方案提供依据；3、检测炉管是否存在寿命衰减的早期现象；4、根据特征分析炉管退化的模式，以便采取相应的措施；5、根据特征分析炉管局部的运行环境、温度、管壁减薄速率等情况，为改造和换管提供数据；6、积累炉管监督数据库，帮助今后的炉管爆管分析，预测炉管的失效几率。

三、对爆管进行金属试验分析的主要步骤：1、现场割管取样和标记工作；2、了解炉管的运行状况和历次爆管的情况；3、金属试验分析工作。对炉管进行金属分析试验流程见下图:现场割管取样工作程序包括：1、对爆管和需割管的部位进行确认，要注意区分原始爆管和二次吹损管；2、对爆管和割管进行记录，注明部位、标高、管屏和管排编号；3、在爆管和割管上标明烟气方向、介质流动方向，然后拍照；4、对爆管附近的炉管进行宏观检查；5、割管取样；6、对取样做好运输保管工作。

了解炉管的运行状况包括：割管取样部位的管屏侧视图，炉管规格、材料牌号，工作压力，炉管的运行时间和启停次数，最近一次化学酸洗的时间，历次炉管爆破情况。

金属试验分析主要内容有：

1、来样登记编号；2、来样宏观检查和拍照；3、几何尺寸测量；4、化学元素复验；5、金相组织检查；6、硬度试验；7、常温和高温力学性能试验；8、过热器、再热器管内壁氧化皮厚度测量和氧化皮形貌观察；9、省煤器、水冷壁管内壁垢的成分分析和形貌观察；10、管外壁氧化皮和沉积物程度和形貌观察、成分分析；11、SEM和TEM观察；12、出具金属试验分析报告。

四、常用的金属试验方法：1、化学成分分析2、金相试验3、常温、高温力学性能试验4、硬度试验5、物相成分分析6、物相结构分析7、TEM试验8、SEM试验9、蠕变与持久强度试验

五、炉管失效的分类：造成炉管失效按机制可分为六大类22种：1、应力破断（短时过热，高温蠕变，异种钢焊缝）2、水侧腐蚀（苛性腐蚀，氢损伤，点蚀）3、火侧腐蚀（低温区域腐蚀，水冷壁腐蚀，煤灰腐蚀，油灰腐蚀）4、冲蚀磨损（飞灰，落渣，吹灰器，煤颗粒）5、疲劳（振动，热应力，腐蚀）6、缺乏质量控制（维护清理造成的损伤，化学控制不良造成的损伤，材料缺陷，焊缝缺陷）另一种炉管失效分类（五类28种）：1、水汽侧腐蚀（苛性腐蚀、氢损伤、磷酸腐蚀、点蚀、酸洗腐蚀、内壁沉集物/腐蚀产物堆积）2、烟气侧腐蚀（烟气侧氧化、过热器、再热器的烟气侧腐蚀、飞灰磨损、吹灰器磨损、煤颗粒磨损、蒸汽二次吹损、水冷壁烟气侧腐蚀、低温烟气区域腐蚀、落渣损伤、管子碰擦）3、应力破断（短期过热、长期过热、石墨化）4、开裂（水冷壁腐蚀疲劳、烟气侧腐蚀疲劳、热机械疲劳、振动疲劳、异种钢焊缝应力开裂、应力腐蚀裂纹）5、质量控制不当（维护清洗造成损伤、材料缺陷、焊接缺陷）六、腐蚀原理介绍

从炉管失效分类可以看出，许多爆管都与腐蚀有关，因此，要正确对爆破炉管进行金属试验分析，有必要了解一些与炉管爆破有关的腐蚀知识。

1、金属腐蚀简介当金属和周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。金属腐蚀的现象十分普遍，如钢铁制件在潮湿的空气中很容易生锈，钢铁在加热炉中加热时会生成一层氧化皮等。腐蚀对零件的损坏表现为：失重，破坏表面完好状态和产生裂纹。根据金属腐蚀过程的不同特点，可以把腐蚀分为两大类：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀单纯由化学作用而引起的腐蚀叫做化学腐蚀。例如，金属和干燥气体（如O2、H2S、SO2、Cl2等）接触时，在金属表面上生成相应的化合物（如氧化物、硫化物、氯化物等）。温度对化学腐蚀的影响很大。钢材在常温和干燥的空气里并不腐蚀，但在高温下就容易被氧化，生成一层氧化皮（由FeO、Fe2O3、Fe3O4组成），同时还会发生脱碳现象。化学腐蚀在金属与界面之间发生如下反应：Me（金属）＋X（介质）→MeX（腐蚀产物）腐蚀特点：腐蚀反应产物直接在参与反应的金属表面形成，腐蚀产物往往形成连续的膜；腐蚀产物膜能减缓腐蚀速度，膜越完整、致密及与基体金属结合结合力强时，膜的保护作用越强。电化学腐蚀当金属和电解质溶液接触时，由电化学作用而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀。它和化学腐蚀不同，是由于形成了原电池而引起的。在腐蚀电池中，负极上进行氧化过程，负极常叫做阳极；正极上进行还原过程，正极常叫做阴极。在金属与电解质相互作用中，阳极发生溶解。电化学反应的两个过程：阳极过程：金属以水化离子的形式进入电解液，而把当量电子留在金属中。Me→Me＋2·nH2O+2e对钢铁：2Fe＝2Fe+2+4e阴极过程：去极化剂吸收金属中阳极过程放出的剩余电子，当电解液中存在氧时：O2＋2H2O＋4e＝4OH－称为吸氧腐蚀，实际上铁等金属的腐蚀主要是吸氧腐蚀。

当电解液呈酸性时：2H＋＋2e＝H2↑由于阴极有氢气析出，所以也称为析氢腐蚀

电化学腐蚀的特点：金属电化学腐蚀的阳极和阴极过程可在电解液和金属界面的不同区域局部进行；电化学腐蚀产物在电解液中形成，对阳极不起保护作用；电极电位高的金属不受腐蚀，反之，受腐蚀。在金属中出现不同的电极电位的主要原因有：局部区域化学成分的差异；钝化膜不均匀和破裂，钝化膜为阴极，新鲜金属表面为阳极；残余应力，应力较大区域为阳极，反之，为阴极；物理条件不均匀，温度高的部位，或是有电流进入电解液处，均为阳极。

七、炉管腐蚀爆管举例

下面对水冷壁管的氢腐蚀和点状腐蚀爆管的机理和金属试验分析的特点做一个介绍。1、氢腐蚀的机理和特征炉管的氢腐蚀是由于有氢的侵入，并对钢材造成严重的，不可恢复的损伤，给水的PH值低特别易于引起氢损伤。氢腐蚀表现为突然的爆管，爆口呈“天窗”形，见照片1。爆口边缘管壁无明显减薄，这是因为形成甲烷CH4，造成渗碳体的脱碳，大大降低了钢材的强度。甲烷的分子很大，无法在钢中扩散，从而产生内压，最后在晶界造成微裂纹，裂纹旁脱碳明显。氢腐蚀主要发生在水冷壁管的向火侧，常与管内有严重的四氧化三铁垢联系在一起。照片1水冷壁管氢腐蚀的“天窗”形爆口

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氢腐蚀易发生在：水冷壁的高热负荷区；弯头或水流中断处；水平或倾斜的管段。l

造成氢腐蚀的主要原因：结有严重的四氧化三铁垢层的脏锅炉比干净的锅炉更易于受到各种腐蚀的侵害。冷凝器泄漏和无机酸污染给水。在有害的工况下，如炉水PH值在5以下时，可以在短短的数小时内发生严重的氢损伤。

氢腐蚀的化学反应过程腐蚀通常发生在比较致密的沉积物下，垢下化学反应为：3Fe+4H2O→Fe3O4+8[H]垢下腐蚀产生的氢不能很快地被汽水带走，则氢原子进入钢材表层，与钢中晶界碳化物发生如下反应：Fe3C+4[H]→3Fe+CH4

由于生成甲烷，在晶界产生巨大的应力，使晶界开裂。氢腐蚀材料含氢量明显提高，机械性能下降，氢腐蚀裂纹边缘发生脱碳现象。氢腐蚀的预防根据造成氢腐蚀的原因或影响因素，总结出两条重要的预防氢腐蚀的措施：保持锅炉清洁；发生给水污染要及时处理。具体要求：a.给水品质符合要求，其中高压锅炉炉水PH为9－10b.保持锅炉管内壁清洁，使均匀的保护膜不受破坏c.炉管内结垢量低于控制标准，定期进行化学清洗d.安装化学监控仪表e.发生化学污染要及时停炉处理f.使用合金钢管g.燃烧不偏移h.稳定工况，防止炉管的局部汽水循环不良和超温。i.有化学质量控制标准与紧急事故处理工作程序j.配有合格的化学专业人员只要能做好以上的工作，就可以避免发生氢腐蚀事故。

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垢下腐蚀的分类：延性腐蚀：这种腐蚀通常发生在多孔沉积物下，被腐蚀部分均匀地变薄，呈坑状或皿状。腐蚀过程一直发展到管壁穿孔或破裂，材料的金相组织和机械性能没有变化，仍保持延性。另一类垢下腐蚀为氢腐蚀，发生在致密的垢下，为脆性开裂。多孔垢和致密性垢具有相似的腐蚀条件，不同之处是后者的腐蚀速度快，使阴极反应的氢来不及被水带走，而进入金属基体，所以有致密性垢也是发生氢腐蚀的条件之一。2、点腐蚀的机理和特征水冷壁和省煤器的点状腐蚀，属于电化学腐蚀。l

腐蚀特征：a.常发生在给水管和省煤器管路，在管内壁产生腐蚀物堆积的鼓包，去除腐蚀物，管壁呈现点状或坑状腐蚀。b.腐蚀区没有过热现象，基本没有结垢覆盖。c.在弯头内壁的中性区附近容易产生腐蚀坑，弯头的椭圆度大，应力集中明显，腐蚀坑沿管轴方向变长，可能产生腐蚀裂纹。d.单独的点腐蚀发展会引起穿透而泄漏。

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产生腐蚀的原因：a.管内的水由于氧的去极化作用发生电化学腐蚀，在管内的钝化膜破裂处发生点蚀。b.弯头的应力集中促使点蚀的发生。c.下弯头在停炉时积水。d.弯头处受到热冲击，使弯头中性区产生疲劳裂纹。e.从制造到安装、运行都可能发生氧腐蚀。

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点腐蚀的电化学反应过程：金属表面含有氧气并且不均匀，氧气分压越大，相应的电极电位代数值越大，这样，铁与氧形成电极电位差，氧浓度不同也形成了浓差电池，腐蚀坑底部氧浓度较低，因此，在阳极铁氧化成铁离子，在阴极发生溶解水膜中的氧得到电子，阳极：2Fe＝2Fe+2+4e阴极：O2＋2H2O＋4e＝4OH－

l易发生氧腐蚀的区域a.给水管，省煤器进口区域；b.弯头中性区；c.停炉易积水的管段和弯头；l

点腐蚀的预防：a.加强炉管使用前的保护；b.新炉启动前应进行化学清洗，去除铁锈和脏物；c.新炉启动前管内壁应形成一层均匀的保护膜；d.运行中保持水质合格，严格控制PH值和含氧量；e.注意停炉保护。八、过热器、再热器管的爆破与金属试验分析1、过热器、再热器炉管的工况及主要失效机理过热器、再热器受热面管是锅炉的重要部件，这些炉管通常在腐蚀性的环境下，在高温高压的工况下工作，氧化腐蚀和蠕变断裂是造成过热器、再热器受热面管失效的主要原因。对防止腐蚀造成的炉管失效，我们可以通过加强对受热面管排重点部位的宏观检查和测厚来及时发现问题，在发现炉管有腐蚀情况后，我们可以通过调整锅炉的燃烧状况和煤种，以及选用适当的合金钢炉管等方法来解决。

2、炉管在役使用中组织的变化和力学行为特点电厂用的碳钢和15CrMo、12Cr1MoV等合金钢在高温下组织会发生四个方面的变化：珠光体球化，石墨化，合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配，时效和新相的形成。对T23、T91、T92、T911由于钢材的强化机理与过去的不同，在使用过程中会发生位错密度的降低、亚晶粒的长大、MX相的粗化，有些钢材还会析出Laves相。由于材质的内部组织发生了这些变化，故它的力学性能也发生了变化，一般表现为抗拉强度和高温持久强度的降低。在高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变，所谓蠕变就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。蠕变在较低温度下也会产生，但只有当t/tm大于0.3时才比较显著（t为试验温度，tm为金属熔点，都用热力学温度表示）。当碳钢温度超过300℃、合金钢温度超过400℃时，就需要考虑蠕变的影响。金属蠕变过程可用蠕变曲线来描述，蠕变一般分为三个阶段：第一阶段为减速蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长，蠕变速率逐渐减少；第二阶段为恒速蠕变阶段，这一阶段的特点是蠕变速度几乎保持不变。

一般所指的金属蠕变速率，就是指这一阶段的蠕变速率；第三阶段为加速蠕变阶段，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，直至产生蠕变断裂。同一种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。蠕变变形的机理主要是通过位错滑移、原子扩散及晶界滑动等机理进行。蠕变造成的断裂大多为沿晶断裂，在不同的应力与温度条件下，晶界裂纹形成方式有两种：在高应力和较低温度下，在三晶界交会处形成楔形裂纹；在较低应力和较高温度下，在晶界上由空洞形成晶界裂纹。

3、爆口的宏观检查：通过宏观检查可以发现爆管的宏观特征，包括爆口边缘壁厚的减薄情况，外壁是否存在氧化腐蚀等。

4、爆管割管几何尺寸测量：通过测量管壁的厚度和管径，可以发现管子由于氧化腐蚀和磨损造成的管壁减薄情况；通过测量管径可以掌握管子蠕涨的情况，对蠕涨量大的管子应进行寿命评估。5、金相试验：通过组织观察，可以了解组织状况，球化级别，是否有蠕变空洞和裂纹；通过测量管内壁氧化皮厚度，可以评估管材的过热状态。6、硬度试验：通过测试管材的硬度值，也可以估计材质的过热情况。

7、力学性能试验：目前常用的炉管力学性能试验是沿炉管纵向割取条形试样，在常温下测试管材的抗拉强度值。这些方法对宏观了解炉管的状况是有益的，但也存在一些不足，首先是在炉管的纵向进行取样，这与炉管在工作时承受的力方向是不一样的，管材力学性能不能完全反映损伤情况。其次，一般只进行常温试验，难以进行高温强度试验，另外，条形试样机械加工较困难，往往试样不够标准，这将影响试验数据的准确性。

8、炉管环形拉伸试样测试材质力学性能方法介绍为解决目前采用割管拉伸试验方法存在几方面的不足，江苏省电试院探索开展了用炉管环形试样进行拉伸的试验方法，不但在常温对炉管进行拉伸，还可以较方便地测试炉管的高温抗拉强度。为更加符合实际情况地评价炉管材质状态提出了一种新的测试方法。这种拉伸方法的特点是在炉管上采集一个环形的试样，这样测出的是材料的周向抗拉强度，与炉管在实际工作中的受力方向一致。

自2001年以来，江苏省电试院一直用这种拉伸方法对炉管材质的常温和高温抗拉强度进行试验，已积累了几百个测试数据，初步建立了数据库，取得较好的效果。根据实际工作经验，应认识到对炉管材质的评定，不能只看材质的抗拉强度值，还要看材料的塑性储备，从我们测试两只超温爆管的环形试样来看，炉管抗拉强度并未低于标准，但材质的塑性下降很多。用环形试样也可以开展对炉管的加速试验，以较准确的评估材质的剩余寿命。9、根据火力发电厂金属技术监督规程（DL438-2000），对在役的过热器、再热器的判废标准：

合金钢管外径蠕变变形大于2.5%，碳素钢管外径蠕变变形大于3.5%；高温过热器管和再热器管外表面氧化皮厚度超过0.6mm，且晶界氧化裂纹深度超过5个晶粒；管子外表面有宏观裂纹；微观检查发现蠕变裂纹10、炉管材质寿命评估理论与方法介绍对某一给定的材料，对寿命的研究实际是研究应力-温度-时间三者之间的关系。

Robinson法介绍（Lifefractionrule）表达式：∑ti/tri=1ti:在一定应力、温度下的使用时间；tri:在同