600 MW机组省煤器爆管原因

钱亚勇, 李 辉, 孙贺斌, 杨佩旭

(甘肃电力科学研究院技术中心有限公司, 兰州 730050)

省煤器位于烟道尾部,管外部运行条件包含烟气、飞灰和积灰,管内部运行条件包含未饱和水[1]。省煤器管的材料一般为低碳钢、合金钢、不锈钢等,这些材料中还添加了一些合金元素,如铬、钼、镍等,以提高管子的耐腐蚀性、强度和耐磨性。省煤器管通常为无缝钢管,在制造过程中,还会对其进行热处理、冷却处理等工艺,以进一步提高管子的性能。煤器管的失效形式有磨损、缺陷、腐蚀等,其中磨损的问题较为严重,主要为飞灰磨损,其次是碰触磨损,另外还有局部防磨瓦、阻流板造成的涡流等。在这些因素的综合作用下,部件的表面状态、组织性能会逐渐劣化,严重时可使部件的薄弱部位产生磨损、腐蚀减薄、裂纹等危害性缺陷,最终导致爆管[2-8]。近年来,我国大型火电机组因“四管”爆漏引起的停机时间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%[9]。因此,减少锅炉受热面管的爆管次数、缩短非计划停运时间是提高锅炉运行可靠性和经济性的关键因素。某火力发电有限责任公司省煤器管发生爆管事故,其已运行73 290 h。该锅炉型号为HG-2145/25.4-YM12,为一次中间再热、超临界压力变压运行、带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉。该锅炉为π型布置、单炉膛、尾部双烟道、全钢架悬吊结构,其燃烧器前后墙布置、对冲燃烧。省煤器出口设计工作温度小于350 ℃,设计工作压力小于31 MPa。

爆管为省煤器出口集箱引入弯管(管样1)及其下方与之对应的直管(管样2)。锅炉管材料为SA-210C碳锰钢,规格(外径×壁厚)为44.5 mm×6.7 mm。管样1与管样2在炉膛中的相对布置位置如图1所示。

图1 管样1与管样2在炉膛中的相对布置位置

笔者采用一系列理化检验方法对爆管原因进行分析,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察及壁厚测量

管样1的整体和局部宏观形貌如图2所示。

管样1爆口位于弯头背弧面中心处,开口长度为29.67 mm,开口宽度为14.11 mm。爆口附近管径无明显胀粗,爆口边缘壁厚减薄明显,爆口附近管子表面光滑,呈红褐色,且存在明显锈蚀,远离爆口处管子外表面起伏不平,覆盖有较厚的红棕色锈蚀产物。对爆口边缘附近管子横截面及两侧直管段壁厚进行测量,以外弯为0点方向,顺时针选取4点位置(见图3)依次测量壁厚,结果如表1所示。测量结果显示:爆口边缘外弧面最薄处壁厚为1.11 mm,减薄量为83.43%;爆口两侧直管段壁厚接近公称壁厚,未发现明显减薄现象。

表1 壁厚测量结果 mm

图3 管样1壁厚测量位置示意

选取爆口边缘附近管子外径进行圆度测量,长轴为45.54 mm,短轴为35.21 mm,爆口处圆度为25.59%。如果排除管子外弯处壁厚减薄因素,以内径测量值计算得出的圆度为12.35%。说明该弯管制造加工成型后的圆度不符合GB/T 16507.5—2013 《水管锅炉 第5部分:制造》的要求。选取距爆口两侧各150 mm直管段处进行管径测量,测得管径分别为44.70,45.20 mm,未发现明显胀粗现象。

对管样1爆口临近直管段外壁氧化皮厚度进行测量,氧化皮厚度为1.03～2.10 mm。管样1内壁较光滑,但存在微小的点状腐蚀及较浅的沟槽,无结垢现象(见图4)。

图4 管样1爆口临近直管段内壁宏观形貌

管样2的整体和局部宏观形貌如图5所示。由图5可知:在管样2上可见安装鳍片的痕迹;爆口位于鳍片根部边缘,附近管壁存在局部吹损痕迹,呈圆形,爆口边缘锋利,鳍片边缘的其他区域也存在吹损形成的沟槽;远离爆口的鳍片根部也存在吹损痕迹,但表面较平整,存在黑色致密的氧化膜,说明该区域长期受到烟气吹损的作用。

图5 管样2的整体和局部宏观形貌

1.2 磁粉检测

将管样1,2沿轴向剖开,分别对内、外表面进行磁粉检测,在内、外表面均未发现线性缺陷。

1.3 化学成分分析

对管样1进行化学成分分析,结果如表2所示。由表2可知:管样1的化学成分符合ASME SA-210/210M 《锅炉和过热器用无缝中碳钢管》对SA-210C钢的要求。

表2 管样1的化学成分分析结果 %

1.4 力学性能测试

对管样1进行硬度测试,结果如表3所示。由表3可知:管样1的硬度符合ASME SA-210/210M的要求。

表3 管样1的硬度测试结果 HBW

对管样1进行拉伸试验,结果如表4所示。由表4可知:管样1的抗拉强度满足ASME SA-210/210M的要求。

表4 管样1的拉伸试验结果

1.5 金相检验

爆口附近管子内壁存在较小的点状腐蚀坑,其微观形貌如图6所示。随机选取2处腐蚀坑,采用光学显微镜对腐蚀坑进行深度测量,结果为0.15,0.20 mm(见图7)。

图6 管样1爆口附近内壁腐蚀坑微观形貌

图7 内壁腐蚀坑深度测量结果

在管样1爆口下端裂纹尖端附近取样,对其镶嵌后进行金相检验。爆口裂纹尖端微观形貌如图8所示。由图8可知:管样1的基体组织为铁素体+珠光体,存在较明显的带状组织,评为2.5级,珠光体球化级别为3.5级,裂纹尖端呈穿晶扩展特征,裂纹附近组织存在晶粒拉伸变长现象,说明开裂部位材料存在明显的局部塑性变形。

图8 管样1爆口裂纹尖端微观形貌

对管样2取样并进行金相检验,结果如图9所示。由图9可知:管样2的显微组织为铁素体+珠光体,带状组织评为4.5级,珠光体球化级别为2.5级;管样2的显微组织基本正常,未见明显老化。

图9 管样2母材微观形貌

1.6 扫描电镜(SEM)和能谱分析

在管样1爆口中间部位截取试样,对断口表面进行扫描电镜分析。因断口表面锈蚀严重,采用体积分数为4%的盐酸水溶液对断口进行超声波清洗,再对断裂面裂纹边缘进行观察,断面表面SEM形貌如图10所示。由图10可知:断口大部分区域呈准解理断裂形貌,断面及试样外表面仍有清洗后未能完全去除的氧化铁,靠近外表面局部区域断裂面存在二次裂纹,靠近外表面局部区域断口上存在氧化物溶解后遗留的微小孔洞(见图11),内表面裂纹源萌生于内表面的腐蚀坑(见图12)及腐蚀沟槽(见图13)。

图10 管样1断面表面SEM形貌

图11 管样1靠近外表面局部区域断裂面二次裂纹及微小孔洞SEM形貌

图12 管样1腐蚀坑SEM形貌

图13 管样1沟槽SEM形貌

腐蚀坑内部及内表面沟槽均存在残存的腐蚀产物,对腐蚀坑内部、内表面沟槽、外表面断面分别进行能谱分析,结果如图14～16所示。由图14～16可知:腐蚀坑内部、内表面沟槽的氧元素含量明显大于靠近外表面断裂面,说明腐蚀产物主要为氧化铁。

图14 腐蚀坑内部能谱分析位置和能谱图

2 综合分析及结论

管样1,2的磁粉检测、化学成分分析和力学性能测试结果均符合标准要求,金相检验结果表明材料老化不严重,不存在长期超温过热现象。

管样1爆管的主要原因是弯管外表面的严重磨损及腐蚀造成的减薄量过大, 使得剩余壁厚无法承受内部介质压力,造成爆管。由于爆裂弯管处圆度超标,故在内压膜应力的作用下,弯管外弯复圆过程会产生较大的弯曲应力和拉应力,进一步增大弯管外弯部位管壁所承受的应力。

管样1内表面存在较浅的凹槽及点状腐蚀坑,在受力过程中这些部位形成局部应力集中,并成为薄弱点,促使裂纹在底部萌生并扩展,引起爆管。

管样2爆口的产生原因为管样1弯管对应部位爆裂后,其局部发生吹损,造成壁厚减薄。直管上鳍片根部吹损部位的局部磨损区域表面发黑,存在氧化现象,由此推断其表面存在长期烟气及飞灰吹损,说明该位置可能存在烟气走廊。

图15 内表面沟槽能谱分析位置和能谱图

图16 外表面断面能谱分析位置和能谱图

3 改进措施

建议扩大低温省煤器管弯头部位的宏观观察和壁厚测量范围。对壁厚减薄量偏大或弯管圆度偏大的管子加强监督,对壁厚减薄量大于30%的低温段省煤器管进行全面更换。

对省煤器管排进行检查调整,防止出现烟气走廊,从而加剧对局部管排的磨损;对空间位置及环境条件苛刻,易发生磨损的重点部位管子及弯管加装防磨护瓦。避免使用劣质煤,优化调整燃烧方式,减少对省煤器的腐蚀和磨损。严格控制锅炉水质及酸洗工艺过程,防止介质对省煤器管内表面造成腐蚀。