（大唐长春第三热电厂 吉林长春 130103）
摘要：近年来，随着我国大容量、高参数锅炉的大量投运，锅炉“四管”爆破事故不断发生，从业人员从事故中总结了丰富经验。分析了锅炉“四管”爆破最常见的几种成因，结合典型锅炉的失效实例，给出了防范事故的办法。特别是针对长期过热、短时过热以及腐蚀和磨损几种造成爆管的诱因进行归纳和总结，明确了爆管事故的防范手段，进一步论证了相应防磨防爆措施的可靠性。
关键词：爆管；过热；磨损；腐蚀；蠕变
引言
电站锅炉省煤器、水冷壁、过热器和再热器统称为锅炉“四管”，是电站锅炉最重要、最核心的元件。根据数据统计，锅炉事故占电厂事故的50%左右，而承压部件特别是“四管”事故占锅炉事故的60%~75%，即占全厂事故的30%-40%。[1]并且，“四管”爆破事故原因多种多样，影响因素各不相同。国际上，将锅炉爆管机理分成六大类，共22种。其中7种受到循环化学试剂的影响，12种受到动力装置维护行为的影响。在大量数据作为研究基础的情况下，我国学者将电站锅炉爆管原因归纳为9种。[2]在电站锅炉运行过程中，我们可以从这9个方面重点考虑，结合实际情况，提高设备维护水平。最常见的爆管多由下面几种情况造成，现做以简单介绍。
1.长期过热型爆管
常规电站锅炉“四管”设计寿命一般为10万小时，这里所说的设计寿命是指在也没设计温度、压力等重要参数下运行。实际运行中的锅炉经常由于这样或那样的原因而超温运行，这给受热面安全带来的极大损害。受热面管材的使用寿命一般采用Larson-Mluer经验公式计算：
[3]
T——工作温度，K=273+℃；
——运行小时数，设计值为105h；
C——常数，CrMo钢取23，Mo钢取19，炭钢取18。
例如，设计温度为580℃的12Cr1MoVG钢材工作在590℃和600℃情况下，由上述计算公式可知其寿命分别为47424小时和22856小时。可见，较小的超温运行即可造成非常大的使用寿命缩减，10℃的温度差下，使用寿命即缩减一半以上，控制金属壁温不超设计值极端重要。
1.1长期过热的失效机理
长期过热爆管，也称一般性蠕变损坏。是指管材长期处于设计温度以上而低于材料的下临界温度下工作，超温幅度不大但时间较长。在这种情况下，金属发生碳化物球化，管壁氧化，蠕变速度加快，持久强度下降而产生胀粗，最终爆裂。长期过热爆管通常爆口不大，破口断面粗糙而不平整，管壁减薄不多，破口边缘是钝边，不锋利，破口附近有众多平行于管子轴向裂纹。由于长期在高温下运行，爆口附近往往有较厚的黑色氧化皮。从蠕变原理上来说，破口应为塑性断裂，但蠕变爆管一般都伴有应力腐蚀，这使爆口表现出脆性断裂的特征。当管子过热时，管子会以一定的速度发生管径胀粗，通常在爆口的金相图中可以看到明显的蠕变晶间裂纹，并伴随有严重的球化现象。由于长期在高温下运行，在裂纹发展的同时，也发生裂纹内部的氧化，结果在裂纹内壁上生成了氧化层，尤其是粗大的蠕变裂纹处，其氧化层更为明显。
1.2.1应力氧化裂纹型
此类型的管子胀粗一般接近管材允许的胀粗值，一般炭钢管子胀粗取3.5%，合金钢管子胀粗取2.5%。此种破坏形式爆管的向火侧会存在大量纵向裂纹，氧化皮较厚，金属发生严重球化，会出现燃烧产物中部分元素如Ca的富集。
1.2.2氧化减薄型
此类型的爆管一般在管子向火侧和背火侧都会产生较厚的氧化皮，一般在1.0~1.5毫米左右，管壁减薄十分严重。向火侧金属组织完全球化，背火侧金属组织也会明显球化。
1.2.3高温蠕变型
此类型的爆管胀粗会明显超过标准规定值，爆口处发出现蠕变空洞和细小的裂纹，弯头处会出现再结晶现象。
1.3爆管产生的根本原因
长期过热爆管产生的原因多为运行过程中热偏差较大造成，这一成因在四角切圆燃烧锅炉以及直流锅炉中表现最为突出。如管内汽水流量不均、自然循环锅炉出现循环停滞或倒流、管子内壁严重结垢或者异物堵塞管子造成截面减小等原因造成。例如长春某厂一台80MW锅炉曾发生异物堵塞在管子联箱入口处而造成二级过热器爆管的严重事故。此外，设计不合理而造成的水力不均也会造成部分管子流量过小而达不到冷却效果而造成管子长期超温运行而爆裂的事故，这种事故造成的伤害大，影响面积广，特别是在直流锅炉上表现十分显著。
1.4防范措施
一是要在运行中的锅炉做好金属监督工作至关重要，特别是运行中要避免超温，做好超温记录，统计超温时间和最高温度。科学预测管材剩余寿命，及时更换管子。二是利用机组检修期间，做好受热面管子检修工作，特别是准确测量管子的胀粗率，并逐年对比，提前分析预判管材寿命。
2.短时过热型爆管
短时过热爆管，是指锅炉受压元件突然或较短时段内，由于变工况进行或突发性事故造成锅炉受热面局部大幅超温而造成爆管。此时，管壁温度超过材料的下临界温度，材料强度急剧下降，在强大的内压力作用下发生胀粗或爆破。
2.1短时过热爆管机理
当过热器管材金属运行在较高的温度下时，金属组织会发生变化，如碳扩散。特别是异种钢材焊口处，极易发生晶间腐蚀，细小裂纹沿晶界迅速发展，材料强度急剧下降。如TP304H—12Cr1MoVG、TP347—T91和TP316L—T91的异种钢材接头处，特别是当奥氏体不锈钢运行在敏化温度（425℃~800℃）区间内时，易发生碳迁移而产生晶间腐蚀。内蒙古某660MW汽轮发电机组锅炉曾经发生TP304H—12Cr1MoVG过热器管子接头爆破造成机组停运事故。
2.2短时爆管产生的原因
短时爆管的生产多为运行不当造成，比如切圆燃烧的残余旋转未能有效消除而造成热偏差较高、管排水力不均出现流量过小而冷却不足造成壁温陡升、火焰中心发生严重偏斜以及金属管材内壁发生严重结垢或积聚的大量氧化皮突然脱落等。短时过热是由于管子在严重超温的情况下力学性能严重下降，管子在压力的作用下发生塑性变形以至爆破。短期过热爆管按过热程度的高低又可分为瞬时过热爆管（温度在Ac3以上）、短时直接过热爆管和小鼓包爆管。瞬时过热爆管破口处呈喇叭状，管子严重减薄胀粗，边缘锋利。为韧性断裂，外表呈蓝黑色。破口附近没有众多平行于破口的轴向裂纹，破口处的组织为羽毛状贝氏体组织。
2.3短时爆管的防范措施
锅炉受压元件的布置形式、管材的选用以及运行方式对受热面管子的运行情况影响重大。预防受热面管材的短时过热，要从优化受热面布置方式上多做考虑。同时，加强锅炉的变工况运行管理、合理调整锅炉燃烧并严格控制燃—水比、加强管材垢量分析等措施都会对减少管材短时过热大有裨益。提高入炉水质量，加强化学监督同样意义重大。
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图1 短时过热爆管样貌
3.腐蚀型爆管
近年来，大容量、高参数锅炉的不断投产，使得化水处理不达标造成的管材爆破事件频繁发生。一般腐蚀失效可在水质发生超标后几个月甚至乱短到几周内出现，失效方式多为脆爆。[4]这种腐蚀一般以酸腐蚀为主。碱腐蚀造成的表面钝化膜的破坏是局部的，最终以穿孔的形式失效，相当严重的碱腐蚀才能形成脆性爆破。故而酸腐蚀的危害性明显大于碱腐蚀。
3.1酸腐蚀的特点
相比于碱腐蚀而言，酸腐蚀危害更大。当发生酸腐蚀时，氧化铁或四氧化三铁表面膜极易被溶解，钢铁迅速被活化，在酸性环境性，新的钝化膜极难形成。较为严重的酸腐蚀必将导致脆性爆破。爆口无胀粗或胀粗很小，边缘很厚且为钝边。微观组织观察可见，金属出现大量晶间裂纹，珠光体出现严重脱碳，材料的各项强度指标远低于标准值。
3.2酸腐蚀的防护措施
化学原因造成的锅炉管材失效（BTF）要从事前和事后控制两个方面入手。要认真抓好凝汽器和除氧器技术指标。目前，在进行全炉管失效分析时，其原因仍以凝汽器泄漏与氧腐蚀为主，保障凝汽器的安全运行是确保凝结水质量的治本之策。再者，除氧器运行的好坏，良好的除氧效果是保证给水品质的有效手段。
事后控制是指在发生腐蚀爆管后，应查明腐蚀的成因。如发生腐蚀的原因为酸腐蚀，则预示着潜在危险性非常大，往往绝非几十根管子发生腐蚀，严重时则成百上千根。必须做好这样受腐蚀管子的处理工作，检验管子的各项理化指标是否达到合格标准。
4.磨损造成的管材失效
磨损可分为飞灰磨损、煤粒磨损、机械磨损、落渣磨损以及吹灰磨损等几种形式。其中飞灰磨损和吹灰磨损是最常见的两种磨损形式。
4.1飞灰磨损
飞灰磨损主要体现在低温（对流）受热面的管圈上，比如低温过热器、低温再热器和省煤器等受热面。飞灰中夹带的二氧化硅、氧化铁以及三氧化二铝等颗粒硬度很大，这此颗粒在较低的温度和较高的流速下冲刷受热面管材的迎风面，使管壁减薄，特别是烟气走廊区域以及管圈的头几排，磨损非常显著。故此，锅炉在设计时会着重考虑这一点，例如哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的350MW、660MW机组的锅炉的省煤器和部分低温过热器上都设计有防磨罩[5]。
4.2吹灰磨损
由于近些年投产的锅炉参数都比较高，炉膛的理论燃烧温度很高，多会在受热面特别是在水冷壁上形成很多粘结性焦渣，这使得吹灰器的投入率大幅提升。当吹灰器运行时间过长或发生卡涩而不停地吹扫时，极易造成水冷壁的吹损。这种类型的吹损会造成管壁的急剧减薄，会很快形成爆破。山东某厂3号锅炉曾在一年内发生两次吹灰器吹损水冷壁而造成停炉事故。这种吹损相比于常规的灰粒磨损危害更大，不容小觑。
4.3机械磨损
由于汽水工艺流程的需要，在受热面管排的布置上难免有管子会出现交叉和重叠，这些接触的管子在运行中极易发生碰磨而减薄。如哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的350MW汽包炉中布置的流体冷却间隔管与分隔屏、后屏过热器有多达45处交叉点，这些相互接触的部位在设计上部分采用防磨套管型式以避免管排振动而造成的机械磨损。
4.3磨损的防范措施
磨损造成的管材失效多与受热面布置、烟气流速及燃料种类息息相关。因此，合理布置防护措施比运行调整更加重要。加装防磨罩是一种普遍采用的措施。例如在附近布置有吹灰器的水冷壁管排上合理加装防磨罩、在省煤器的水平管段和弯头部位加装防磨罩以及空气预热器上采用耐磨钢材等，都是减小磨损的有效办法。机组检修时，要充分查找易磨损的部位，采取积极的防护措施。
5其它管材失效形式
除上述最常见的几种失效形式以外，热疲劳、应力腐蚀等也会造成受热面管材爆破。
6结论
管材过热、腐蚀以及磨损是最典型的几种锅炉管材失效形式。三者相加占锅炉“四管”爆破事故成因的70%左右，应当引起足够重视。而这三者都是可防可控的，完全可以通过检修、监督和技术改造进行优化。近年来，各厂在这方面都积累的很多宝贵经验，互相学习和借鉴可以有效避免爆管事故的发生。
参考文献：
[1]李建东.锅炉防磨防爆[M].北京：中国电力出版社，2016：44-44.
[2]杨卫东.锅炉四管的维护和检修[M]. 北京：中国电力出版社，2004：12-13.
[3]叶江明.电厂锅炉原理[M].（第二版）北京：中国电力出版社，2004：303-303.
[4]刘晓，周菊华. 电厂水处理及化学监督[M].北京：中国电力出版社，2009：211-211.
[5]鄢晓忠.锅炉设备检修[M] 北京：中国电力出版社，2009：37-37.
作者简介：
于晓来，男，1985年10月14日出生，大学本科，工程师，长期从事热力发电厂锅炉设备管理和检修工作。
论文作者:于晓来
论文发表刊物:《河南电力》2019年7期
论文发表时间:2020/1/3
标签：锅炉论文; 磨损论文; 管材论文; 发生论文; 裂纹论文; 事故论文; 酸腐论文; 《河南电力》2019年7期论文;