摘要：通过对某电厂#4炉高温再热器管子超温情况进行检查和专项试验分析，深入分析了造成管壁超温的原因，并提出了系统的预防措施。
关键词：高温再热器；超温；试验分析；调整措施
1 前言
某电厂#4机组为350MW燃煤发电机组，自投入商业运行以来，其主要性能参数均能达到设计要求，运行情况良好。但近来#4炉高温再热器出口管组的管壁温度出现了超温现象，严重影响机组的安全运行。为此，针对性的进行了各项专业分析，探讨了造成管壁超温的原因，停炉后对锅炉高温再热器做了详细的现场检查，处理了检查发现的重大问题，并提出了初步的预防措施。
2 设备概况
#4机组配套锅炉由美国福斯特•惠勒能源公司设计供货，最大蒸发量为1188t/h，其类型为亚临界、一次中间再热、双拱型单炉膛W型火焰、固态排渣、自然循环汽包型锅炉。
锅炉水平烟道内布置有高温过热器和高温再热器，高温再热器采用顺列、立式、逆流布置。高温再热器为每排6管圈的垂直U型管组，沿烟道宽度方向共布置97排，高温再热器管子规格为Φ50.8×3.8，材质为TP316奥氏体不锈钢。
再热器蒸汽进汽和出汽的布置形式为单进单出式，从汽机高压缸排出的蒸汽经锅炉左侧的冷再蒸汽管道，引入布置在尾部烟道底部的再热器进口联箱，通过该联箱分配给布置在竖井烟道前部的低温再热器，向上逆流经过水平管束、悬吊管，再进入布置在水平烟道的高温再热器，最后汇集到高温再热器出口联箱，并通过锅炉左侧的热再蒸汽管道接至汽机中压缸进口。事故喷水减温器布置在锅炉再热蒸汽入口管道内。100%额定出力下再热器入口的设计蒸汽压力为4.08Mpa，温度为327℃，再热器出口的设计蒸汽压力为3.92Mpa，温度为541℃。
高温再热器壁温测点布置在顶棚过热器上部（不受热区域）、与出口联箱连接的材质为SA-213 T22 SHF的管子上，从左起第6排起，每隔6排安装1组，共15组，每组第1、2、6根管子安装，共计45个测点。
3 超温现象及检查情况简介
在一次机组临修停运未做检修工作的情况下，启动后出现超温现象。停运前机组负荷200MW时，高温再热器出口汽温为507℃，高温再热器壁温平均值为557℃，无超温管子，再热器出入口压差为0.12MPa。机组启动后，再热器出入口压差变为0.22Mpa，高温再热器部分出口管组的管壁温度出现超温现象，最高壁温曾达680℃，后被迫降低负荷运行，机组负荷为185MW时，管壁最高温度为635℃，远远超出了锅炉厂家给出的允许使用温度（619℃），严重影响着机组的安全运行。
机组停运后，对锅炉内部做了详细的检查，发现低温再热器和高温再热器处均无堵灰现象，低温再热器入口联箱及入口段管子外表有一层灰垢，有4排高温再热器U型管内圈（第6圈）管子有变形现象，顶棚过热器上方不受热的高温再热器管子（布置温度测点处）外表有异常的氧化现象。顶棚密封良好，温度测点未受到烟气的直接冲刷，无其它异常现象。
由于停炉前运行情况一切正常，在锅炉无检修工作、未做燃烧调整且运行操作无异常的情况下，启动后出现高温再热器超温问题，而高温过热器、低温过热器、屏式过热器均无超温现象，且停炉后炉内检查无堵灰、温度测点无异常，入口联箱及入口段管子外表的灰垢也不会引起高温再热器的超温，因此，重点考虑高温再热器管子内部存在异常情况。
经过对低温再热器联箱、高温再热器联箱内部的检查，未发现有异物堵塞管口；低温再热器割管检查，内部未发现异常；对高温再热器左起第30排U型管最外圈割管检查，发现管内有大量呈片状的氧化皮，氧化皮的厚度约0.20mm，有磁性，几乎堵死了流通截面。随后对第30排管子其余5个管圈、第55排管子割管检查，发现全部有氧化物堵塞，个别管圈的氧化物已聚集成核状。如下面照片所示：
管子内壁的氧化皮层脱落，聚集在U型弯底部，减小了管道的通流截面，增加了蒸汽的流通阻力，管子内蒸汽流量相对减小，严重减弱了对管子的冷却效果，造成了高温再热器管壁严重超温。
除了表层已经脱落的氧化皮，经过对管子的敲击和振动，还有新的氧化皮层脱落。壁温测点位置及氧化皮聚积位置如下图所示：
4 管
子综合试验分析与评估
为了全面掌握、了解高温再热器管子目前的材质性能状态，我们对#4炉再热器管子的材质进行了系统的试验分析与评定。本次试验分析选取#4炉有代表性的TP316H奥氏体不锈钢管、炉顶部大包内T22钢管及两种管子的备品管样。
管样试验内容包括表面宏观检查、化学成分分析、迎烟侧和背烟侧室温拉伸性能试验、迎烟侧和背烟侧高温拉伸性能试验（600℃）、硬度试验、晶间腐蚀试验、迎烟侧和背烟侧内外壁氧化皮形貌特征分析及氧化皮厚度测量、金相面上氧化皮形貌扫描电镜观察分析与能谱分析等。
通过对管样的几何尺寸测量可以看出，各管样壁厚尚大于设计壁厚，未见明显减薄，管径没有胀粗现象。内外壁宏观检查结果表明，管内表面的灰色面为氧化物与蒸汽接触面，黑色面为外层氧化物与内层氧化物之间的结合面；奥氏体不锈钢锅炉管的内壁氧化皮的脱落应与锅炉的启停参数具有密切关系。
氧化皮厚度测量结果表明，TP316H管内氧化皮厚度最大为0.18mm；T22管内壁氧化皮厚度最大为0.25mm，外壁氧化皮厚度最大为0.28mm，按照T22内壁氧化皮厚度与金属壁温的近似关系，可以估算该管的当金属壁温为590℃左右。从氧化皮形貌来看，T22管氧化皮多疏松孔洞；#4炉TP316H管氧化皮上出现黑色晶界，边缘残留有破碎的氧化皮形貌，为外层氧化皮未剥落完全的氧化皮形貌。
从管样内外壁形貌图中可以看出，#4炉TP316H管外壁氧化皮局部有脱落特征，其中90-1管最为明显；有部分管样内壁氧化皮有剥落，其中12-2较为完好，90-1有少许剥落，剥落后表面多为黑色表面，说明氧化皮剥落不久，且管样上部比下部氧化皮剥落严重，迎烟侧氧化皮剥落程度比背烟侧严重。
化学成份分析表明，管样的化学成份满足ASME SA213-2004的要求。力学性能测试结果表明，管样的室温力学性能均满足标准对新锅炉管的要求，且强度尚处于较高水平，与备品管相当，运行管的高温抗拉强度较备品管已有明显的下降。
硬度测试结果表明，所有管样的硬度符合ASME SA-213“锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金管子技术条件”的要求；T22运行管和T22备品管的硬度相当，TP316H管迎烟侧和背烟侧的硬度差异不大；硬度测试结果与拉伸性能试验结果相吻合。
管样碳化物分析结果表明，运行管中的Cr、Mo量都有一定量的转移，12-1样品Mo的转移量高达60.6%，表明锅炉管经过近四年的运行，发生了一定程度的老化。
晶间腐蚀试验结果表明， #4炉12-2发现晶间腐蚀产生的裂纹，表明这些管样经过四年的运行已经具有明显的晶间腐蚀倾向。
金相组织分析表明，TP316H管金属基体均可见隐形晶界，这与TP316H管不含强碳化物形成元素铌或钛，抗晶界敏化能力差有关，也与长期高温运行碳化物在晶界附近的析出聚集有关；TP316H管中碳化物在晶界晶内的析出，使锅炉管抗腐蚀能力和高温拉伸性能下降；T22备品管的组织为铁素体+贝氏体，运行管中粒状贝氏体已分解，碳化物呈粒状弥散性分布，除了12-1球化为评为C级中度球化外，其余的球化均评为B级轻度球化。
描电镜观察与分析，用Quanta 400HV扫描电子显微镜（SEM）和INCA-sight能谱仪（EDS）对金相试验面上的氧化皮形貌进行了氧化层微观形貌观察与微区成份分析，氧化层微观形貌与能谱分析区域见下面照片：
#4炉TP316H管的氧化皮外侧边缘残留有少许破碎氧化皮形貌，这是最外层氧化皮未剥落完全的形貌，其中含有部分金属中的基体元素Cr和Ni；内层氧化物中Cr含量在22.22-28.04%范围内，氧化层中的Cr含量高于金属基体中的Cr含量。
综上分析可以看出，#4锅炉高温再热器TP316H和T22材料发生了一定程度的组织老化和性能劣化，但整体状况尚好，可以继续运行。
5 氧化皮生成、脱落、聚集原因探讨
通过以往其它几台锅炉大修时对高温再热器取样管子的检查，发现管子内壁存在致密的氧化皮，在外力振动下，会出现裂纹和剥落的情况。
高温蒸汽管内壁生成氧化膜是个自然的过程，开始时氧化膜形成很快，一旦膜形成后氧化速度便减慢了。但随着运行时间的增加，在超温或温度、压力剧烈波动等情况下，由于管子母材和氧化膜不同的热膨胀能力，金属表面的氧化膜会产生裂纹，裂纹的存在使得基体金属直接暴露于氧化环境之中，加速了氧化的进程，氧化层也开始向双层、多层发展。
#4炉高温再热器使用材料（SA-213TP316H）为奥氏体不锈钢，当奥氏体不锈钢长时间处于高温高压的水蒸汽中时，管子内壁会自然的氧化，由于Cr的活性较高, 在氧化的初始阶段，管子内表面会生成很薄的Cr2O3氧化膜，这层氧化膜的形成阻止了管子内壁进一步氧化，但随着运行时间的增加，氧化膜以下的基体相应地发生Cr的贫化，同时在超温或温度、压力剧烈波动等情况的作用下，外层氧化物出现细微的裂纹，Fe向氧化膜外扩散，大大恶化了其高温下的抗氧化能力，氧化发展速度加快，抗氧化性能降低，产生了多层铁的氧化物。
随着机组运行时间的延长，氧化膜的厚度增加，在锅炉的频繁启动、停炉或升降负荷过程中，管子温度变化幅度很大，由于母材和氧化膜不同的热膨胀能力，基体会对表面的氧化膜产生拉或压的作用，这些作用都会导致氧化膜开裂。
高温再热器所用钢材的膨胀系数在(16-20)×10-6／℃范围，而氧化铁的膨胀系数一般在9.1×10-6／℃，由于膨胀系数的差异，在多层氧化层达到一定厚度，加上温度发生变化尤其是剧烈或反复变化时，氧化皮很容易从金属本体剥离。
另外，锅炉启动时，由于再热器管子内没有蒸汽流动，启动中烟气的温度较高，当水蒸汽开始进入再热器时，其温度低于管子的温度，这时处于热态炉管内的氧化皮受温度较低蒸汽的突然冷却，氧化层与管子基体之间分离应变很大，管子内壁上的氧化皮会分离剥落。
首先剥离的氧化皮在U型弯的底部停滞，由于机组启动时的蒸汽流量相对较小，无法将其带走。脱落的氧化皮不断的积聚，数量较多时，即便机组启动后有了较大的蒸汽流量，也很难对其产生扰动并带走，被堵塞的管子壁温会异常升高，严重时会造成短期超温爆管。
锅炉停运冷却过程中，部分蒸汽凝结成水后聚积于再热器U型管下部， 淹没了剥落的氧化皮，随着U型管底部积水逐渐的自然蒸发，氧化皮一层紧贴一层，聚积成核状，堵死了管子流通截面，引发超温现象。
6 预防措施
6.1 利用机组检修机会做炉内空气动力场试验，对炉内燃烧工况进行调整，力求降低炉膛出口温度，减少再热器减温水的投运，使高温再热器在安全的温度下运行，避免出现较大的温度变化辐度，降低管子内壁的氧化速度。
6.2 锅炉启动过程中要防止升温升压速度过快。煤粉燃烧器的投运时间不可过早、投粉量不可突然增大，以防过早的大量使用再热器的减温水，导致U型弯内部出现“水塞”，造成管子“干烧”，使氧化现象加剧。
6.3 锅炉点火启动初期，炉膛热负荷要尽量分布均匀，避免烟气温度偏差过大，引起部分管排超温。
6.4 锅炉启动初期，利用突然开大再热器出口电磁释放阀，或采用突然将机组Ⅰ-Ⅱ级旁路阀门开大的方法，使再热器管内蒸汽流速突然增加，再热器进、出口联箱压差瞬间增大，将水塞排除。同时，在脱落的氧化皮数量较少且未成核状前将其带走。
6.5尽量采用滑参数停机方式停运，并让锅炉自然冷却（不采用强制冷却的方式），避免高温再热器管子温度的剧烈变化。
6.6在高温再热器炉内部分加装两组温度测点，每组由运行烟温和管子壁温两个组成。在机组启动时，新装测点所测数值与锅炉顶棚内布置的壁温测点所测数值相比较，核对两者之间的偏差，以便于在运行中准确地对高温再热器壁温实时监控，减小屏间、同屏管间热偏差，发现超温情况可以立即处理，使最高实际运行的管壁温度控制在允许使用温度范围。
6.7 以上措施可以相对减缓高温再热器管子内壁的氧化速度，也可以相对的减少氧化皮的剥离，但由于机组不可能在一种稳定的工况下长期运行，所以对于这种SA-213 TP316H奥氏体不锈钢，仍然存在着氧化皮脱落并堵塞管子的威胁，如果需要经常的割管清理，现场管子的焊口将增加太多，严重影响高温再热器的安全运行，因此应考虑管材的代用，如用SA-213 T91管材代替。或采用管子内壁喷丸处理工艺提升其抗氧化性能指标，延长使用寿命。
参考文献：
[1] FW公司350MW锅炉培训教材第7卷.
[2]电厂350MW锅炉系统图.
[3] 张天孙.《传热学》中国电力出版社.
[4] 范从振.《锅炉原理》中国电力出版社.
[5] 孔珑.《工程式流体力学》山东工业大学.
[6] 《#4炉高温再热器管材检验结果》西安热工院.
[7] 宋琳生.《电厂金属材料》上海电力学院.
作者简介：
闫卫龙，阳城国际发电有限责任公司，机务设备管理部，锅炉主管。
论文作者:闫卫龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/21
标签：高温论文; 锅炉论文; 温度论文; 机组论文; 内壁论文; 形貌论文; 蒸汽论文; 《电力设备》2019年第10期论文;