关键词：电厂锅炉过热器管；失效模式；失效控制
1 引言
电厂锅炉技术水平不断提高，但是在大规模高强度使用中，锅炉故障发生率比较高，其中，过热器管道失效故障比较常见。过热器管所处位置比较特殊，需长时间受到高温、过热水蒸汽影响，对于过热器管材料质量的要求比较高。如果过热器管失效，则应对故障问题产生原因进行分析，并采取有效的控制措施，由此可见，对电厂锅炉过热器管失效问题进行深入研究意义重大。
2 电厂锅炉过热器管的失效模式
过热器管失效指的是其无法发挥正常的使用功能，失效模式指的是失效的具体表现形式，即失效现象。在电厂锅炉中，过热器的使用功能是过热饱和蒸汽传输至联箱，并进入汽轮机做功，如果炉管出现裂缝甚至爆裂，则会造成过热器管失效，其原理为断裂失效。根据失效时所表现出的失效形态，可将断裂分为韧性断裂、疲劳断裂、脆性断裂等。锅炉过热器管失效模式所对应的失效类型如图1所示，在锅炉生产运行中，过热器管的失效形式比较复杂，在对失效故障进行分析时，要求综合考虑锅炉运行现场实际情况准确判断失效类型，并采取针对性改进措施。
.png)
图1 过热器管的失效模式
3 电厂锅炉过热器管失效控制措施
在锅炉过热器管使用中，造成过热器管失效的原因比较多，其中断裂问题比较常见。对此，在过热器管失效控制方面，在设计、制造、安装以及运行中，都必须加强监控管理，比如，在设计环节综合考虑热偏差因素，在制作过程中加强原材料控制以及焊接质量控制、在运行过程中避免出现超温问题等。
为了有效控制锅炉过热器管失效问题，还应注意以下几点：（1）根据国家规定、电厂生产实际情况，制定锅炉过热器管运行检修方案，加强材料控制，尤其需重点检查管件焊接施工质量。（2）在锅炉生产运行中，避免过热器管超温问题，及时对管外壁吹灰，确保风煤比以及炉膛过量空气系数符合设计要求。在锅炉暂停检修中，要求对管内壁高温氧化腐蚀情况进行重点检查。（3）煤种必须符合设计要求，燃烧器应与磨煤机相协调，避免温度过高而造成硫酸盐腐蚀。在给水处理过程中，必须加强监控管理，同时还需做好停炉保护措施。（4）在过热器管设计过程中，要求综合考虑烟温偏差、蒸汽流量偏差以及管子吸热偏差的影响。（5）在对过热器管进行维护管理时，应注意避免对管壁造成磨损，对于危险区域，要求采用无损检测技术。
4 电厂锅炉过热器管失效概况
某电厂锅炉为2台循环硫化床锅炉，第一台锅炉运行时间比较长，过热器管多次发生爆裂失效故障，爆裂位置为管屏中从上向下1～5根之间。通过对一次爆裂失效问题进行分析，炉右向炉左数第7排的1号管道撕裂，喷出大量蒸汽，对于2号管道造成损伤，对此，采用试验分析方式，准确查明过热器管失效问题的产生原因，据此制定针对性维修方案。
5 电厂锅炉过热器管失效检查与试验
5.1裂纹及宏观检查
1号管的泄漏点在固定块端部角焊缝位置，轴线泄漏形貌明显，2号管的固定块管段已被切除。利用线切割方式切开爆裂附近管壁，并对开裂面进行分离处理，可观察到明显的疲劳纹路。
5.2化学成分分析
对于1号管样的合金元素进行分析，分析结果如表1所示，过热器管合金元素成分均符合GB-5310-2008要求。
表1 屏式过热器管合金成分分析结果（%）
.png)
5.3显微组织检查
在管道开裂位置，垂直于开裂面进行取样分析，取样位置整体形貌如图2所示。在穿透性开裂位置周边，还有一处裂纹，但是没有穿透基体。在焊缝吹损位置，右上角为A区柱状晶焊缝组织，未穿透裂纹开口处，因此焊缝被吹损。在A区焊缝下方的热影响区域与熔合线区域，有马氏体和贝氏体的淬硬组织。
.png)
图2 开裂面处整体组织形貌
通过对图2进行分析，开裂是从外壁逐渐扩展至内壁中，同时，外壁形成氧化皮，并逐渐扩展至内壁。该电厂锅炉过热器管的母材金相组织包括铁素体以及珠光体，其中，珠光体为分散状态，在晶界聚集碳化物，球化2.5级，在裂缝周边进行母材取样，并利用显微镜检查，母材组织与开裂处相同。
5.4显微硬度检测
对于A区焊缝处以及B区的淬硬区、细晶区、母材处，均进行显微硬度检测分析，其中，B区淬硬区的硬度为248HV0.2，高于A区焊缝处、B区细晶区、母材处硬度：248HV0.2、194HVO.2、180HVO.2。
6 电厂锅炉过热器管失效综合分析
6.1结构及受力分析
电厂锅炉过热器管的结构形式如图3所示，在屏过垂直段管子之间，采用鳍片进行连接，对于下方水平段管子，采用固定块进行连接，通过采用上述连接方式，能够使屏过受热面形成整体结构，各个管子之间自由膨胀受阻。锅炉上方屏过集箱采用恒力吊架吊起，在锅炉启停过程中，管屏膨胀，由于上部管子采用鳍片进行连接，因此浇筑料保护部位管子之间膨胀无法自由释放。另外，在水平段管子穿墙位置，采用混凝土浇筑方式进行固定，因此，与水冷壁前墙相比，水平段管子向炉后膨胀，而垂直段管子则向下膨胀。
.png)
图3 结构及受力形式
外圈管的长度大于内圈管，由于管子均采用鳍片进行连接，并采用定位块进行固定，因此无法自由移动，进而对定位块产生向下或者向后的拉伸应力，同时拉伸应力还可传递至内圈管上，比如外圈第一根的相对膨胀应力可传递至第二根管上，然后再传递至第三根管上，最终就会造成最内圈区域固定块角焊缝部位需承受巨大的拉伸应力以及附加内力，受力状况恶劣，爆裂失效问题比较常见。
6.2断口分析
在过热器管开裂位置，在经过分离观察后发现，断口位置疲劳纹比较多，没有发生明显变形的脆性断口，由此可见，该过热器管失效为疲劳断裂。通过对贝纹线进行观察，贝纹线间距比较大，断口上有7～10条贝纹线，贝纹线之间的间距不等。由此可见，断口为低周高应力疲劳断裂，每一条疲劳纹均可能会对应一次锅炉启停。在启炉时，屏过管温度不断升高，直至达到管子设计壁温536℃，热膨胀量不断增加，而内外圈的膨胀量有一定区别，因此，会产生相对膨胀应力。在停炉过程中，管子温度逐渐降低至室温，在此过程中，管子膨胀应力逐渐降低至零，升温和降温速度不同，对于裂纹扩展的影响也有一定区别。对于疲劳断口，可分为三种类型，包括裂纹源区、瞬断区以及疲劳扩展区。
6.3裂纹源分析
通过对过热器管失效问题进行分析，管子开裂泄漏位置处于长条形固定块端部角焊缝热影响区，在管子开裂位置附近，有一条明显裂纹，但是裂纹没有穿透管子。两条裂纹从热影响区逐渐扩展至母材，并且深入至母材热影响区域，而在靠近熔合线处，根据现场检查，发现马氏体淬硬组织以及贝氏体淬硬组织，并且淬硬组织的硬度比较高。在淬硬组织与角焊缝进行焊接施工时，在拘束应力的影响下，可能会造成焊后接头中产生与熔合线相垂直的横向冷裂纹。在过热器管实际运行中，裂纹可在热影响区域的淬硬组织中不断扩展，但是不会扩展至抗裂性比较好的母材中，但是在较大外载下，可能会向母材扩展，甚至还会造成母材发生断裂。
7 结语
综上所述，本文主要结合实例，对电厂锅炉过热器管失效问题的检查要点以及控制措施进行了分析。锅炉是电厂生产中十分重要的设备，对于供电稳定性的影响比较大，而过热器管失效问题比较常见，对此，锅炉检修人员应高度重视过热器管运行检查，降低过热器管失效发生频率，确保锅炉正常运行。
参考文献：
[1]刘献良，张国栋，赖云亭，etal.火电锅炉过热器管失效原因分析[J].热电技术，2018，2（3）：35-38.
[2]赵林松，赵彦芬，张路.某电厂锅炉高温过热器爆管原因分析[J].理化检验：物理分册，2019，4（3）：214-217.
[3]胥杨，陈文觉，陈乐，etal.622MW亚临界锅炉屏式过热器爆管失效分析[J].中国特种设备安全，2019，4（5）：44-50.
作者简介：张劲松（1987-）湖南株洲人，工程师，本科，工作方向：电厂维护检修。
论文作者:张劲松
论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期
论文发表时间:2020/4/17
标签：锅炉论文; 过热器论文; 电厂论文; 裂纹论文; 应力论文; 位置论文; 断口论文; 《科学与技术》2019年21期论文;