摘要：本文着重分析了锅炉受热面失效的主要特征，对各种失效形式进行分析，并提出了影响锅炉受热面失效的主要因素。随着经济的快速发展，电力需求不断攀升，火力发电机组的容量不断增大，亚临界、超临界、超超临界大容量机组的相继投入运行。由于工质参数的升高，对锅炉设计、制造和运维都提出了越来越高的要求。统计数据表明，锅炉受热面（过热器、再热器、水冷壁、省煤器，以下简称“四管”）漏泄导致的发电机组停运事件占60%，防止锅炉四管漏泄已经成为火力发电企业一项非常重要的工作。
一、锅炉四管失效的主要特征
导致锅炉四管失效的因素有很多，对爆管处进行金属材料性能分析可以发现导致锅炉受热面金属管壁的主要特征是超温、腐蚀、磨损、金属疲劳所导致的爆管。
1.金属超温过热爆管
过热分为长期过热和短期过热.
1.1长期过热：是指管壁金属温度长期处于设计温度之上而低于材料的下临界温度，超温幅度不大但时间较长，金属发生碳化物球化，持久强度下降，蠕变加快，管径胀粗，最后在管子最薄弱的部位爆管。
锅炉受热面长期过热与锅炉设计、制造、安装和运行维护都有关系。受热面内各管束内工质流量分配、受热面吸热量分配、管材选型等设计因素往往会导致锅炉长期超温很难控制；制造、安装和维护中错用管材和异物堵塞也会造成长期超温爆管；运行中过度追求经济指标，长时间超温运行或锅炉两侧风量偏差大，炉内局部热负荷偏高；受热面管子内部结垢等都会造成锅炉受热面长期超温而失效。
1.2短期过热
短期过热管壁金属温度超过金属材料的许用温度，金属材料强度下降，在管内压力的作用下，发生胀粗和爆管。
短时过热失效的原因是多方面的，如错用材质；炉内局部热负荷过高，如燃烧方式不合理，启动时火焰中心偏移；汽水循环不良，有异物堵塞管子，如焊瘤、焊渣、眼睛片或工具等；汽水分配不均匀，循环不正常，汽水流动不均匀，蒸汽流速低或汽水分层；内壁积垢或腐蚀产物过多，如炉水内带有氧化铁、氧化铜和其他杂质，会在水冷壁的蒸发段沉积，进入过热器的饱和蒸汽中带有水，造成结垢，内壁结垢影响传热性，使管壁温度明显升高；温度控制、温度调节不准确等原因，以致受热面管子发生短时过热爆破。
2.受热面腐蚀爆管
受热面腐蚀爆管分为管内壁腐蚀和外壁烟气侧腐蚀。
2.1管内壁腐蚀
管内壁腐蚀主要分为溶解氧腐蚀、垢下腐蚀、碱腐蚀、氢腐蚀、铜氨化合物腐蚀。
2.1.1溶解氧腐蚀
由于Fe与O2、CO2之间存在电位差，形成无数个微小的腐蚀电池，Fe是电池中的阳极，溶解氧起阴极去极化作用，Fe比O2等的电位低而遭到腐蚀。腐蚀速度与溶解氧的浓度成正比，随着给水速度提高、锅炉热负荷增加、溶解氧腐蚀也随之加剧。
2.1.2垢下腐蚀
由于给水质量不良或结构缺陷防碍汽水流通，造成管道内壁结垢。垢下腐蚀介质浓度高，又处于停滞状态，会使管内壁发生严重的腐蚀，这种腐蚀与炉水的局部浓缩有关。
2.1.3碱腐蚀
游离碱会在多孔性沉积物和管内表面浓缩，浓缩的强碱会溶解金属保护膜而形成铁酸根与次铁酸根离子的混合物，当管壁表面局部碱浓度超过40%时，会释放出氢气，从而形成金属表面深而广的腐蚀，也称延性腐蚀。
2.1.4氢腐蚀
在高温下，在水－蒸汽循环过程中，钢材水蒸汽氧化会产生大量的 H，这就会形成氢脆和氢腐蚀。氢脆是 H 溶于水中或溶于基体中与应力共同作用引起，氢腐蚀是H 与 Fe3C 或 C 发生反应会在晶界处形成 CH4，成局部高压，产生裂纹而引起。氢脆和氢腐蚀是造成水冷壁大面积爆管的可能原因！
2.1.5铜氨化合物腐蚀
在炉水处理中使用脱氧剂和中和胺等均可能产生游离氨。在pH值大于8.3且含溶解氧的情况下，氨会侵蚀以铜合金为材质的冷凝管。一旦铜离子进入锅炉而沉积在管壁上，便会产生电化学腐蚀而损伤炉管。
2.2外壁烟气侧腐蚀
锅炉受热面管子外壁烟气侧腐蚀包括高温腐蚀和低温腐蚀。
2.2.1高温腐蚀：主要指的是在高温含硫等烟气环境下在管壁温度较高处所发生的烟气侧金属腐蚀。常见的硫酸盐型高温腐蚀和硫化物型高温腐蚀，另外也有氯化物型高温腐蚀的现象出现。
2.2.2低温腐蚀：一定压力下，烟气中硫酸蒸汽的凝结温度称“酸露点”，酸露点高于水露点，即烟气在逐渐冷却过程中，硫酸蒸汽比水蒸汽先液化（凝结在管壁上），易于附着在低于酸露点的金属管壁上，造成了受热面的酸腐蚀。这类腐蚀温度较低，金相组织无明显变化，断口处晶粒拉长，为韧性断裂。该腐蚀具有缝隙腐蚀特性。
3.磨损爆管
锅炉磨损爆管是最主要的失效形势，分为飞灰磨损和机械磨损。
3.1飞灰磨损：携带固态灰粒的烟气，以一定流速流过受热面时，灰粒对受热面的每次撞击都会削去微小的金属屑，管壁由于长期磨损而变薄，强度降低，从而引起泄漏。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆飞灰磨损受烟气速度、飞灰浓度、飞灰磨损性能、锅炉结构的影响，一般来说烟速高，飞灰浓度大、灰粒硬度大、管排错列布置时磨损较严重。飞灰磨损的速率与速度的三次方成正比。飞灰磨损发生比较多的地方有高温段省煤器，过热器和再热器的进口、喷燃器附近、水冷壁人孔等处的管子。
3.2机械磨损：指管子之间以及管子与其他部件之间的磨损，这种磨损十分普遍，由于运行中管排之间膨胀、晃动的方向、幅度、频率不一致，相互贴近的部位就很容易发生磨损，而且磨损速度很快，3～4 年即可磨损 2～3mm，从而造成受热面管子因管壁强度不够而爆管。如果及时检查出来，及时进行调整和换管是可以避免泄漏的。
4.疲劳爆管
对于受热面管子而言，主要为机械疲劳和热疲劳，在腐蚀环境下也会产生腐蚀疲劳。疲劳破坏在高温过热器、再热器管、水冷壁管和省煤器管中均可发生。屏式过热器管的典型疲劳裂纹，管子规格 Φ38mm×4mm，材料为 12Cr1MoV，水平段向火侧产生严重裂纹，在管子表面裂纹沿圆周方向分布，裂纹主要呈相互平行形态，有的裂纹已裂透，造成管子泄漏。
机械疲劳是由于锅炉运行中管子热膨胀受阻和振动以及连接件之间有不同位移，使其承受交变应力而产生的疲劳破坏，裂纹一般发生在管子的外表面，表现为穿晶型，破口边缘不减薄。
热疲劳是由于管子局部区域温度的交替变化，导致交变的热应力而引起裂纹的产生，直至破裂。热疲劳裂纹比较容易出现在热应力大而且比较集中的部位，热疲劳断口的宏观断裂特征表现为损坏的管子周围具有大量的裂纹，形貌一般为横向断口或者网状裂纹，裂纹走向一般为穿晶型，也有沿晶形态的，缝隙中一般都充满氧化物。例如省煤器的进口联箱的温度为汽包的饱和温度（约 350℃），而低温给水温度为 38～149℃，产生严重的热冲击，从而在联箱和管接头内壁产生热疲劳裂纹。
腐蚀疲劳是在腐蚀介质和循环应力（包括起停和振动引起的热应力）的作用下引起的开裂，为沿晶和穿晶混合型断裂，断口处有腐蚀现象。 其断口形貌与一般的高周疲劳类似，不同之处是腐蚀断口曾经受到过腐蚀介质的侵蚀，裂纹源附近往往有多个腐蚀坑，并产生微裂纹，这些微裂纹在扩展过程中经常会出现小的分支，分支裂纹尖端在扩展过程中出现小的分支裂纹，并含有一些腐蚀产物。疲劳失效经过广泛而深入细致的研究，提出了很多疲劳裂纹萌生的模型，主要有：1、位错交叉滑移，2、空穴模型，3、位错塞积模型，4、挤入挤出模型。疲劳裂纹的宏观形貌特征有：裂纹垂直于最大拉伸方向，都是脆性断口，疲劳裂纹裂纹源一般位于表面的应力集中处或缺陷处。
二、锅炉四管失效的主要因素
1.锅炉结构设计不当
1.1炉膛四角和燃烧器处的水冷壁管、包覆管、过热器管屏的夹持管等，因受密封板、固定筋板、槽钢的限制和煤粉管道外推力的影响不能自由膨胀或相互碰磨，以致拉裂损伤。
1.2过热器和再热器系统布置不够合理，局部管段超温。如前、后屏过热器外围管过长，管内介质流速低而受热很强；对流过热器和热段再热器管的下弯头，直接受到炉膛出口烟气的高温冲刷而超温爆管。
1.3锅炉再热器系统进、出口的交叉混合和流动走向不当（如进、出口成“Z” 型流动），易引起热力偏差和水力偏差的叠加，使局部管段超温爆管。
1.4过热器、再热器的调温手段欠缺。摆动火嘴有的在运行中摆不动，再热器的汽一汽热交换器的调节特性不好，系统阻力大，旁通阀漏流，开度的变化对再热汽温的影响不明显；再热器的烟气调温挡板开启不灵活，生锈卡死或调节滞后过大。
1.5炉膛的热力计算不够准确，炉膛出口烟温过高，或燃用煤种变化，调整措施未能跟上。
1.6省煤器的设计和结构未充分考虑燃料灰份对其磨损的影响，烟速、布置结构及防磨措施等选择不当，以致不少地区省煤器磨损爆漏事故频繁，有的运行不到两年就需要换管。
2.制造、安装不当
2.1错用钢材或者选材不当。
2.2材料质量问题，管子内外表面的划痕、离层、折叠通常会导致管子早期失效。
2.3制造、安装时遗留的焊瘤、铁屑片、焊渣等杂物，造成管子堵塞，热循环不良。如异种钢焊接接头熔合不好，造成后期运行过程中的蠕变断裂；管子母材中存在严重的折叠缺陷，这些都是在安装制造过程中值得重点关注的，一旦安装过程中存在疏忽，就会对后期的运行管理带来不堪想象的负担和麻烦，而且产生巨大的经济损失。
3、运行调整及检修质量不高
3.1启动及正常运行中给水品质不符合规定要求和凝汽器泄漏，水质被污染。
3.2在启动、调负荷和燃料质量变化后，调整不当，引起管壁超温。
3.3吹灰器使用不当，引起受热面被磨损。
3.4锅炉缺水，水循环恶化以及炉膛灭火放炮。
3.5运行人员素质不高，热控检测手段不完善，发生误判断、误操作。
3.6煤种与设计值变化过大，造成燃烧推迟或灰分过大，造成过热器超温或尾部烟道磨损严重。
3.7锅炉检修后局部膨胀受阻，导致应力集中爆管。
3.8检修维护和检查工作不够仔细和严格，潜在的设备缺陷未能及时消除。
3.9检修人员责任心不高，没有认真检查并采取必要的防磨防爆措施。
锅炉四管防磨防爆工作是火力发电企业安全生产的一项重要任务，防止锅炉四管漏泄除了要在基建期严把设计和安装质量关外，在运行期间更要采取科学的手段实时掌握锅炉四管的健康状态，摸索影响锅炉四管寿命的科学规律，积极采取防磨防爆措施，保障锅炉的安全运行。
论文作者:王永宏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
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