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锅炉过热器爆管的根本原因及防止措施

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发表时间:2023-02-25 18:45

   太原锅炉集团有限公司(太原锅炉厂)技术宣

结合我国电站锅炉过热器爆管事故做了大量研究,把电站锅炉过热器爆管归纳为以下九种不同的机理。

一、长期过热

1.失效机理

长期过热是指管壁温度长期处于设计温度以上而低于材料的下临界温度,超温幅度不大但时间较长,锅炉管子发生碳化物球化,管壁氧化减薄,持久强度下降,蠕变速度加快,使管径均匀胀粗,最后在管子的最薄弱部位导致脆裂的爆管现象。这样,管子的使用寿命便短于设计使用寿命。超温程度越高,寿命越短。在正常状态下,长期超温爆管主要发生在高温过热器的外圈和高温再热器的向火面。在不正常运行状态下,低温过热器、低温再热器的向火面均可能发生长期超温爆管。长时超温爆管根据工作应力水平可分为三种:高温蠕变型、应力氧化裂纹型、氧化减薄型。

2.产生失效的原因

(1)管内汽水流量分配不均;

(2)炉内局部热负荷偏高;

(3)管子内部结垢;

(4)异物堵塞管子;

(5)错用材料;

(6)最初设计不合理。

3.故障位置

(1)高温蠕变型和应力氧化裂纹型主要发生在高温过热器的外圈的向火面;在不正常的情况下,低温过热器也可能发生;

(2)氧化减薄型主要发生在再热器中。

4.爆口特征

长期过热爆管的破口形貌,具有蠕变断裂的一般特性。管子破口呈脆性断口特征。爆口粗糙,边缘为不平整的钝边,爆口处管壁厚度减薄不多。管壁发生蠕胀,管径胀粗情况与管子材料有关,碳钢管径胀粗较大。20号钢高压锅炉低温过热器管破裂,最大胀粗值达管径的15%,而12CrMoV钢高温过热器管破裂只有管径5%左右的胀粗。

(1)高温蠕变型

a.管子的蠕胀量明显超过金属监督的规定值,爆口边缘较钝;

b.爆口周围氧化皮有密集的纵向裂纹,内外壁氧化皮比短时超温爆管厚,超温程度越低,时间越长,则氧化皮越厚和氧化皮的纵向裂纹分布的范围也越广;

c.在爆口周围的较大范围内存在着蠕变空洞和微裂纹;

d.向火侧管子表面已完全球化;

e.弯头处的组织可能发生再结晶;

f.向火侧和背火侧的碳化物球化程度差别较大,一般向火侧的碳化物己完全球化。

(2)应力氧化裂纹型

a.管子的蠕胀量接近或低于金属监督的规定值,爆口边缘较钝,呈典型的厚唇状;

b.靠近爆口的向火侧外壁氧化层上存在着多条纵向裂纹,分布范围可达整个向火侧。内外壁氧化皮比短时超温爆管时的氧化皮厚;

c.纵向应力氧化裂纹从外壁向内壁扩展,裂纹尖端可能有少量空洞;

d.向火侧和背火侧均发生严重球化现象,并且管材的强度和硬度下降;

e.管子内壁和外壁的氧化皮发生分层;

f.燃烧产物中的S、Cl、Mn、Ca等元素在外壁氧化层沉积和富集。

(3)氧化减薄型

a.管子向火侧、背火侧的内外壁均产生厚度可达1.0~1.5mm的氧化皮;

b.管壁严重减薄,仅为原壁厚的1/3~l/8 ;

c.内、外壁氧化皮均分层,为均匀氧化。内壁氧化皮的内层呈环状条纹;

d.向火侧组织己经完全球化,背火侧组织球化严重,并且强度和硬度下降;

e.燃烧产物中的S、Cl、 Mn、Ca等元素在外壁氧化层沉积和富集,促进外壁氧化。

5.防止措施

对高温蠕变型可通过改进受热面、使介质流量分配合理;改善炉内燃烧、防止燃烧中心偏高;进行化学清洗,去除异物、沉积物等方法预防。对应力氧化裂纹型因管子寿命已接近设计寿命,可将损坏的管子予以更换。对氧化减薄型应完善过热器的保护措施。

二、短期过热

1.失效机理

短期过热

2.产生失效的原因

(1)过热器管内工质的流量分配不均匀,在流量较小的管子内,工质对管壁的冷却能力较差,使管壁温度升高,造成管壁超温;

(2)炉内局部热负荷过高(或燃烧中心偏离),使附近管壁温度超过设计的允许值;

(3)过热器管子内部严重结垢,造成管壁温度超温;

(4)异物堵塞管子,使过热器管得不到有效的冷却;

(5)错用钢材。错用低级钢材也会造成短期过热,随着温度升高,低级钢材的许用应力迅速降低,强度不足而使管子爆破;

(6)管子内壁的氧化垢剥落而使下弯头处堵塞;

(7)在低负荷运行时,投入减温水不当,喷入过量,造成管内水塞,从而引起局部过热;

(8)炉内烟气温度失常。

3.故障位置

常发生在过热器的向火面直接和火焰接触及直接受辐射热的受热面管子上。

4.爆口形状

(1)爆口塑性变形大,管径有明显胀粗,管壁减薄呈刀刃状;

(2)一般情况下爆口较大,呈喇叭状;

(3)爆口呈典型的薄唇形爆破;

(4)爆口的微观为韧窝(断口由许多凹坑构成);

(5)爆口周围管子材料的硬度显著升高;

(6)爆口周围内、外壁氧化皮的厚度,取决于短时超温爆管前长时超温的程度,长时超温程度越严重,氧化皮越厚。

5.防止措施

预防短期过热的方法有改进受热面,使介质流量分配合理;稳定运行工况,改善炉内燃烧,防止燃烧中心偏离;进行化学清洗;去除异物、沉积物;防止错用钢材:发现错用及时采取措施。


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