摘要：着重对超温的定义，管道强度设计与温度的关系，超温对锅炉炉管的危害等方面进行了阐述，并提出了相关建议。
关键词：许用应力；超温；危害
前言
近年来，随着超（超）临界机组的大规模投产应用，温度参数大幅度提高，对材料的高温使用性能提出了严峻的考验，锅炉受热面部件金属正常工作温度都很接近金属材料许用温度上限值。运行中蒸汽温度超过设计额定值时称为超温，当超温运行时，金属的机械性能、金相组织就要发生变化，蠕变速度加快，寿命将大大缩短。
1 管道强度设计与温度的关系
1.1 管道的强度设计需要考虑的一个重要因素是材料在不同温度下的强度极限，但是随着科学技术的发展，金属材料的使用温度逐步提高，人们发现在一定温度下，即使在强度极限以下，金属受持续应力的作用也会产生缓慢的塑性变形，称为金属的蠕变，引起蠕变的这一应力称蠕变应力。在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂。因此，设计高温下使用的构件时，就不能把强度极限作为计算许用应力的依据，还要考虑材料的蠕变强度，根据蠕变强度计算高温材料的许用应力。
1.2 锅炉各部位管道在强度计算时需考虑的因素：材料的许用温度、不同温度下的许用应力、计算温度、计算压力、通径、计算壁厚，即确定计算温度，根据金属材料许用温度选定材质，然后根据材质在该计算温度下的许用应力、以及计算压力和通径要求，计算管子所需要的壁厚。因此，管道强度设计必须考虑不同温度下的材料的性能特点，当超过设计温度，将影响管道寿命及安全运行要求。
2 超温危害一：加速炉管内壁高温腐蚀氧化
2.1 图1为某电厂SA213-TP347H管子内壁氧化皮及脱落形貌。
图1 某电厂TP347H管子内壁氧化皮形貌及脱落痕迹
2.2 氧化皮生成机理及与材料、温度、时间的关系
热力系统高温氧化是氧化性气体（高温过热蒸汽）与金属反应的过程：
3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑
不同的金属材料在同一高温下的氧化速率是不一样的，即材料的抗氧化性能不同。但同一材料在不同温度下的氧化速率也是不一样的，温度越高，氧化皮的厚度越厚，也就是生成速率越快。
2.3 氧化皮的剥落
氧化皮的剥落取决于其临界厚度，并主要受其与母材线膨胀系数之间的差异的影响，另外振动、管壁温度急剧变化也会促进氧化皮的剥落。
表1 T91、TP347H及Fe3O4在600℃下的膨胀系数
2.4 超临界机组应建立高温受热面蒸汽氧化皮的长效管理机制，严格控制启停操作，加强壁温监测，避免超温运行，检修中加强检查，发现问题及时处理。
3 超温危害二：加速老化，缩短使用寿命，长期过热爆管
3.1 某电厂水冷壁管长期超温过热爆管照片（图2）
3.2 爆管分析：该爆口开缝较小，胀粗变形明显，破口的断裂面粗糙，不平整，破口边缘是钝边，并不锋利；外壁出现大量纵向裂纹，破口处外表面有一层较厚的氧化层；通过金相组织和力学性能分析，爆口区域出现大量碳化物，尖端完全球化，爆口附近球化严重，力学性能下降严重，拉伸样的抗拉强度已低于标准值，属于典型的长期超温过热老化爆管。
图2某电厂水冷壁管长期过热爆管
3.3 超温运行对管子使用寿命的影响
管子在高温、应力作用下，会发生蠕变变形，这种变形在规定范围内是允许的，不影响管子的安全运行，如果由于某种原因使管壁超过设计温度，且长期保持超温状态，那么钢材的组织结构将发生变化，蠕变速度加快，持久强度下降，导致管子寿命达不到设计要求而提早损坏。
某电厂后屏过热器TP347H管道错用成T91管道的寿命计算案例：根据目前寿命评估方面普遍应用的拉尔森-米勒公式，可粗略计算T91材料在温度偏高的情况下寿命损耗。假定T91在计算壁温高值594.4℃时设计寿命为30万小时，如温度提高至607.2℃时寿命降低为115611小时。如以机组实际运行时间计算，以最早投运的#1机组为例，截止2009年3月底，其累计运行时间为22310小时，则T91材质二级过热器出口段在607.2℃下累计运行了22310小时相当于在594.4℃下运行了56505小时，寿命损耗率成倍增大，有提前发生早期失效的可能。
4 超温危害三：严重超温超过设计强度短期过热爆管
4.1 某电厂末级过热器短期超温过热爆管照片
图3某电厂末级过热器管短期过热爆管
4.2 爆管分析：宏观检查爆管段，发现爆口张口较大，断口锐利，爆口附近内壁未见残留氧化皮。爆口金相分析是回火马氏体＋铁素体组织，略有相变现象，爆口附近金相组织均正常，机械性能试验结果表明所有管样的力学性能均符合标准要求。属于典型的短期超温过热爆管，即超温幅度较大，材料的许用应力下降明显，力学性能无法满足设计强度而爆管。
5 相关建议
5.1 运行人员应严格按照规范控制各项操作，避免超温；认真监盘，随时注意汽温、壁温变化情况，发现超温及时控制。
5.2 对每次超温都必须如实记录，记录内容包括超温日期、超温部件、最高温度、起始时间、结束时间，并记录超温时的工况分析。
5.3 对于严重超温，必须进行深刻的原因分析，提出反事故措施并落实。
5.4 阶段性对超温台账进行统计和分析，掌握超温特点和规律，开展调整优化工作。
5.5 对于受热面管屏的热偏差，应进行分析和采取措施，降低热偏差，避免部分管屏长期处于较高温度下运行。
参考文献
[1]贾建明.18-8系列粗晶不锈钢的锅炉管内壁氧化皮大面积剥落防治对策.中国电力,2008,41(5):37-41.
[2]陈文泰.600MW超临界锅炉水冷壁爆管原因分析及对策.河北电力技术，2013年4月第32卷第2期.
论文作者:刘谋训
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/13
标签：温度论文; 应力论文; 强度论文; 金相论文; 材料论文; 寿命论文; 高温论文; 《电力设备》2018年第8期论文;