630,MW锅炉高温过热器结焦爆管原因分析及对策
时间：2023-06-01 12:00:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
余建飞，陈东平
（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；
2.国家能源集团科学技术研究院有限公司武汉分公司，湖北 武汉 430077）
锅炉“四管”结焦与爆漏，是高参数机组运行中比较普遍的问题，严重影响高参数火力发电机组的安全、经济、高效运行，如何减缓或防止锅炉结焦与爆管，是生产中急需解决的问题，很多研究者对此开展了大量理论和实践研究［1-15］。
某电厂2号机组于2009年投入运行，2022年1月9日高温过热器发生爆漏，机组停运后检查发现高温过热器垂直管第87 屏第2 根上有2 个爆口，高温过热器水平管上部结焦严重，尤其是被其他过热器管包围的高温过热器管上部，结焦物厚度超过5 cm。为找到该高温过热器爆管和结焦的原因，本文对爆裂高温过热器管及其他高温过热器管样进行宏观观察、化学成分分析、结焦物分析、力学性能试验及金相检验，查找高温过热器结焦与爆裂的原因，并提出了预防控制措施。
1.1 宏观检查
图1 为第87 屏第2 根管上部和下部2 个爆口的宏观形貌，爆口开口较小，与轴向平行，管壁无明显减薄，破口边缘不锋利，爆口两端管径发生胀粗，外壁有结焦现象，内壁有密集、较为平直、且长短不一的纵向裂纹，并附着明显的氧化皮。
图1 过热器爆口原状Fig.1 Original state of high-temperature superheater tube-burst
图2为高温过热器水平管外壁结焦和内壁宏观形貌。从图中可以看出，高温过热器管道上部结焦严重，表面凹凸不平，宽3 cm 左右，见图2（a）。去除结焦物后管外壁呈褐色，可见小腐蚀坑，结焦物剖面形貌如图2（b）和图2（c）所示，焦物颜色具有明显的分层结构：靠近管壁的第1层呈亮褐色，非常坚硬致密；
第2层为青褐色，相对坚硬；
第3层为土黄色，比较坚硬；
第4层为红褐色和灰白色，疏松，取样过程中易脱落。高温过热器水平管内壁宏观形貌，可见分层的氧化皮，局部有开裂和起皮，并有脱落现象。
1.2 管样化学成分分析
按照《GB/T 223 钢铁与合金化学分析方法》对高温过热器管进行化学成分分析，结果见表1，可见该管样母材T91 的化学成分符合ASME 的要求，可排除错用材料的可能性。
1.3 力学性能测试
按照《GB/T 4340.1-2018 金属材料维氏硬度试验第1部分试验方法》要求，对割取的6根管样分别进行硬度测试。结果表明所检取样管硬度正常（推荐硬度为180 HB～250 HB），但爆口附近的硬度靠近标准《DL/T 438-2009 火力发电厂金属技术监督规程》中规定的T91管硬度下限，其他管子的硬度也有明显下降［27］，如表2所示。
表2 硬度测量结果Table 2 Results of the tube hardness test
根据《GB/T228.1-2010 金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，割管机械性能检验结果见表3，结果显示，所检取样管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率均满足《ASME SA213-2001 锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥式体合金钢管》对T91钢力学性能的技术要求，但部分管子的屈服强度和伸长率接近标准下限。
表3 机械性能分析结果Table 3 Tube mechanical properties analysis
1.4 金相组织观察
对6根高温过热器割管分别进行金相分析，结果如表4和图3，从金相分析结果可看出，高温过热器管均有老化现象，其中爆口管属于严重老化；
6号管、21号和98号管属于中度老化；
102号管和21号管属于完全老化。
图3 高温过热器管金相组织Fig.3 Microstructure of high-temperature superheater tube
表4 金相分析结果Table 4 Metallographic analysis results
1.5 内壁垢量和氧化皮成分分析
经分析，所送检管样中，高温过热器内壁氧化皮厚度在0.22 mm～0.53 mm之间，结垢量最小值为1 793.6 g/m2，最大值为2 293.1 g/m2。经能谱分析，氧化皮主要元素为Fe 和O，其次为Cr 元素，可见少量的Al、Si 和Mn 等元素。
1.6 外壁结焦物分析
图2（c）中结焦物样品的扫描电镜和能谱分析结果见图4。表层结焦物主要形状为球形，尺寸不均匀，大部分直径在10 μm 以下，能谱分析结果显示其主要元素为O、Al 和Si，次要元素为Ca 和Fe 元素，可见少量的C、Na、Mg、Ti 和Zn 等元素。底层结焦物非常致密，为颗粒状，能谱分析结果显示其主要元素为Cr、Fe 和O。从结焦物侧面SEM 图中可以看出，靠近管壁侧的底层物质孔隙非常小，且与第2 层有明显分界线；
第2 层内部有孔隙，尺寸比第1 层大，第3 层缝隙更多更大。
图4 结焦物的SEM图Fig.4 SEM image of the coking material
结焦物剖面能谱线扫描结果见图5，从图5中可以看出，第1 层结焦物厚度约2 mm 左右，主要元素为O、Cr 和Fe，可见S 元素；
第2 层，未见Cr 元素，Ca、Al 和Si明显增多，Fe 略有下降，可见S 和K 元素；
第3 层Ca 含量显著增加，其主要元素为O、Al、Si、Ca 和Fe，可见K元素；
第4 层为疏松的浮灰，取样过程中已脱落，经化学定量分析，Fe2O3含量为26.87%，Al2O3含量为16.82%，CaO含量为11.29%，MgO含量为2.17%，S含量为1.93%，SiO2含量为42.26%。
图5 结焦物侧面能谱分析结果Fig.5 XRD of coking
由上述理化分析结果可知，高温过热器管显微组织呈现非常明显的过热特征，说明高温过热器管壁温度长期超过正常工作温度。当运行温度超过T91钢的Ac1点时，晶内碳化物数量减少，在原奥氏体晶界上出现碳化物聚集长大，马氏体特征分散或消失，尺寸粗化，马氏体位向明显分散，其中严重老化的爆管马氏体严重分散，晶界变粗，出现双晶界，有链状孔洞。这种组织变化会使材料的屈服强度和抗拉强度显著下降，同时还会使材料的脆性增加［16］。所检的6根高温过热器管的力学性能尽管仍满足要求，但均已明显下降，部分接近标准下限，因此一旦管段局部区域应力超过材料的屈服强度，就会发生爆管。
文献显示，煤灰中Al2O3是增高灰熔性的最主要成分［17-20］，一般来说Al2O3含量越高，软化温度越高，从结焦物第4层化学定量分析结果看，Al2O3含量不到20%，明显偏低；
当煤灰中CaO 低于35%时，它是降低煤灰熔点温度的成分之一，第2 层结焦物，以Ca、Al、Si、Fe和O为主，可见S元素，是因为CaO 能与SiO2等形成低熔点的硅酸盐，与固态CaO、硅铝酸盐等形式留在灰中，此外CaO与SO2在800 ℃～1 000 ℃范围内生产气态或熔融态的硫酸盐，当温度降低时凝结，粘附在受热面和炉墙上形成初始结渣层，与文献中Ca、Fe 会引起结焦和分层一致。当外壁有结焦物形成时，随着焦体的发展生长，热阻增大，外壁结焦物温度逐渐升高，沉积物在不同温度下，发生不同的物理化学反应，形成不同的结焦物，从而使结焦物出现明显的分层结构，且由于温度过高，管壁上发生高温腐蚀，第1层中的Cr说明了高温过热器外壁发生了腐蚀现象，第3层和第4层结焦物颜色偏红色，表示Fe2O3含量比较高，而文献显示煤灰中含Fe2O3越高，灰熔点就越低，结焦倾向严重。
高温过热器内壁氧化皮中的Cr 元素说明内壁也有腐蚀发生，且最大厚度已超过标准，当氧化皮厚度超过0.5 mm时，应对管子状态进行评估［20］。当氧化皮超过一定厚度，管道温度变化频繁且幅度较大时，由于氧化皮的膨胀系数与金属不一样，机组启停及负荷变化时会引起氧化皮破裂并从金属表面剥落，一部分会带出过热器，一部分会在弯头处积累，降低热交换效率［15］，从而引起管壁超温，加速内壁氧化皮生成、外壁高温腐蚀和结焦，使金属传热性更差，加速外壁高温腐蚀和内壁氧化皮的生成，同时腐蚀会使管壁减薄，影响材料性能，从而进入恶性循环中。
经调查，由于2021年8月电煤价格暴涨，运行成本压力大，为降低燃料成本，电厂不得不掺烧价格低的煤种，但时间紧促，尽管对掺烧煤种进行了分析，但对煤掺烧比例的研究与分析不够透彻。
1）锅炉高温过热器T91 管发生爆管的主要原因是管壁温度过热，使得材料显微组织老化，力学性能下降，外壁结焦和内壁氧化皮会加剧管壁超温。需加强燃烧监督，严密监视炉膛出口烟温、高温受热面管壁温度和排烟温度，并根据烟气温度对燃烧进行调整。
2）掌握燃料特性，煤种问题是产生结焦的主要问题之一，不同的煤种有不同的特性，掺烧前应进行获取煤质分析数据，如煤成分和灰熔点等，加强入炉煤品质监督管理，结合炉膛设计结构、炉内空气动力常和燃烧器结构布置，摸索出合适的不同煤种的掺配比例，使其最终配出的煤在性能指标上达到或接近锅炉的设计煤种要求，避免局部过热、热偏差超标、高温腐蚀、再次结焦和爆管等现象的发生。
3）对外壁结焦物进行深度清理，消除爆管隐患。调整高温过热器底部区域吹灰器推进长度，防止高温过热器区域产生吹灰死区。加强水汽品质监督，避免内壁氧化皮生成。
4）日常运行中勤检查，尤其是煤种变化后，应加强检查频率，及时发现结焦，及时打焦，避免表面高温腐蚀或形成坚硬的结焦物。如果不及时清理，会产生恶性连锁循环，结焦会越来越严重，严重时会发生多次爆管。
5）建议停炉期间检查该管子炉内段，尤其是下弯头处是否存在堵塞，并割管检查。
6）根据本次高温过热器爆管和结焦原因，制定相关应对措施，给国内同类型机组防止结焦爆管、安全运行具有一定的借鉴意义。
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