鍋爐爐箅子爐條受熱面管失效分析□申軍輝郭正民內容鍋爐爐箅子爐條運行事故中，鍋爐爐箅子爐條受熱面管失效泄漏占有相當比例，常常造成停爐事故，事故搶修難度大，由于事故部位不同而搶修時間不同，給鍋爐爐箅子爐條安全、經濟運行造成障礙。鍋爐爐箅子爐條受熱面管失效泄漏，已成為影響機組可靠性的主要因素。

　　如何減少受熱面管的泄漏，已成為提高機組可靠性的關鍵。為此，本文對河北興泰發電有限責任公司歷年鍋爐爐箅子爐條受熱面管失效泄漏進行統計分析，找出造成鍋爐爐箅子爐條受熱面管失效的型式，以及其失效機理，以便制定措施，消除造成失效的不利因素，提高鍋爐爐箅子爐條受熱面管子的可靠水平，保障機組安全穩定運行，保障電網安全穩定運行。
　　~），男，河北石家莊人；石家莊高新區華昊工程技術服務有限公司助理工程師；研究方向：焊接技術郭正民，河北興泰發電有限責任公司近十多年來，我國電力工業迅猛發展，高參數、大容量機組的大型火力發電廠一座座撥地而起，以滿足國民經濟和社會發展對電力的需求。為適應蒸汽參數的提高和蒸發量日益增大，鍋爐爐箅子爐條水循環和燃燒方式也隨之有所改變。參數的提高、容量的加大，水循環的增加以及燃燒的加速而導致鍋爐爐箅子爐條受熱面的熱負荷不斷加大，加上參與調峰、加減負荷頻繁且升降幅度較大、運行控制調整失當，鍋爐爐箅子爐條水化學處理不善等因素，不可避免地會使鍋爐爐箅子爐條受熱面出現蠕變、過熱、疲勞、磨損、腐蝕等異?，F象，日積月累最終導致受熱面損壞而發生事故。一旦發生事故，將給國民經濟造成巨大損失，給人民生活帶來極大的不便。鍋爐爐箅子爐條受熱面在運行中一側是燃料燃燒所產生的高溫煙氣，一側是高溫高壓的水和蒸汽，材料的使用環境相當惡劣，因而材料失效所引起的事故時有發生。
　　本文僅以河北興泰發電有限責任公司HG670/140-9、DG670/13.7-8、BWB-1025/17.5-M型鍋爐爐箅子爐條為基礎，對歷年鍋爐爐箅子爐條受熱面管失效泄漏進行統計分析，通過研究部件失效的特征、過程、形式等，查明部件破壞的直接原因，找出造成鍋爐爐箅子爐條受熱面管失效的型式及其失效機理，提出預防事故的措施和對策，消除造成失效的不利因素，提高鍋爐爐箅子爐條受熱面管子的可靠水平，保障機組安全穩定運行，保障電網安全穩定運行。同時失效分析還可以查明責任主體，為企業提高技術管理水平提供依據。
　　二、受熱面管失效因素河北興泰發電有限責任公司2006年至2008年受熱面管共泄漏41次，其中長時過熱爆管12次；短時過熱爆管2次；磨損11次（機械磨損3次、飛灰磨損8次）；腐蝕失效3次；焊接缺陷、材質缺陷爆管4次；熱疲勞1次；位移、膨脹受阻高拘束應力等其它原因爆管8次。究其受熱面失效因素，主要有四個方面：一是磨損、腐蝕、蠕脹、疲勞、過熱等失效都將影響受熱面的使用壽命，引起“四管”爆破泄漏等事故，迫使停爐搶修，甚至降低整個鍋爐爐箅子爐條的使用壽命。二是粘污、結渣、結垢會降低爐內受熱面的傳熱能力?；椅墼谑軣崦娉练e后，由于其導熱系數很低，熱阻很大，一般粘污數小時后水冷壁的傳熱能力會降低30%-60%，使得爐內火焰中心上移，爐膛出溫度相應提高。三是由于爐膛出口溫度提高，使得飛灰易粘結在對流和屏式過熱器上，引起過熱器的粘結和腐蝕。四是積灰會使省煤器和空氣預熱器堵塞、傳熱惡化、從而導致排煙溫度升高，降低鍋爐爐箅子爐條運行經濟性。五是由于煙氣側總阻力增大，使鍋爐爐箅子爐條無法維持在滿負荷下運行，只好增加投煤量，引起爐膛出口煙氣溫度進一步提高，使灰渣更容易粘在受熱面上，這種惡性循環將導致發生一系列的鍋爐爐箅子爐條事故。
　?。ㄒ唬╅L時超溫爆管。鍋爐爐箅子爐條受熱面管子在運行過程中，因某些原因使管壁溫度超過設計溫度，在高溫長時間作用下，導致鋼材組織結構的變化，蠕變速度加快，持久強度下降，使用壽命達不到設計要求而提早爆破損壞，稱為超溫爆管，也有叫做長期過熱爆管或一般性蠕變損壞。長時超溫爆管由于管壁溫度還沒有達到AC1臨界溫度，爆管時雖然有介質的激冷作用，還不會發生相變。長時超溫爆管一般發生在高溫過熱器出口段的外圈向火側。據近幾年來對過熱器管子爆破事故的分析，有70%是由于長時超溫而引起的。長時超溫爆管的破口呈粗糙性斷口，管壁減薄不多，管子脹粗也不很顯著，爆破口附近往往有較厚的氧化鐵層。長時超溫爆管的顯微組織無相變，但卻有碳化物球化、碳化物析出并聚集長大甚至有些還會出現石墨化等組織變化。
　?。ǘ┒虝r超溫爆管。鍋爐爐箅子爐條受熱面管子在運行過程中，由于冷卻條件的惡化。使管壁溫度在短時間內突然上升，達到鋼AC1臨界點以上溫度。在這樣高的溫度下鋼的抗拉強度急劇下降，在介質壓力作用下，溫度最高的向火側首先產生塑性變形，管徑脹粗，管壁減薄，隨后發生剪切斷裂而爆破。
　　爆破時，由于介質對熾熱管壁產生激冷作用，在爆破口往往有相變的組織結構，這種爆管就稱為短時超溫爆管，也叫做短時過熱爆管或加速蠕變爆管。短時超溫爆管大多數發生在水冷壁管、凝渣管上，特別是水冷壁管熱負荷最高的地方，如燃燒帶附近的向火側。短時超溫爆破口一般脹粗較為明顯，管壁減薄很多，爆破口呈尖銳的喇叭形，其邊緣很鋒利，具有韌性斷裂的特征。爆破口附近有時有氧化鐵層，有時沒有。
　　爆破口的這些特征是與超溫爆管時產生了較大的塑性變形，使管璧減薄，因而承受不了介質的壓力而引起剪切斷裂有密切關系。短時超溫爆管的過程類似作高溫短時拉伸試驗，在應力的作用下，現引起塑性變形后在局部地區出現收縮現象，最后形成剪切裂紋而產生韌性斷裂。
　?。ㄈ┎馁|不良、焊接質量不佳引起的爆管。
　　材質不良。材質不良爆管是指使用有缺陷的鋼材或錯用鋼材造成鍋爐爐箅子爐條受熱面管提早損壞。鍋爐爐箅子爐條受熱面管大都處在高溫應力的條件下，即是在產生蠕變的條件下運行，對所用鋼材性能要求是由運行條件和加工工藝要求決定的，各種鋼材的要求都比較具體，但是生產和運行實踐證明，國內外生產的鋼材都可能存在某種缺陷。白點、發紋、裂縫、折疊、分層、結疤、氣泡及夾雜等缺陷均能嚴重影響鋼材的機械性能與熱加工成形性能。因此在生產鋼材過程中，必須按鋼材用途的不同，對上述各類缺陷加以控制。鍋爐爐箅子爐條受熱面使用了帶缺陷的管材就可能在運行過程中爆管失效。使用了大于壁厚負偏差的折疊、結疤、離層、發紋和大于壁厚5%的橫向發裂以及嚴重夾雜、脫碳的管子稱為使用有缺陷的鋼材。錯用鋼材往往是指把性能比較低的鋼材用到高參數的工況下，實際上是一種超溫運行。一旦發生爆管事故，是屬于長時超溫爆管，其爆破口的宏觀特征和微觀組織的變化基本上與長時超溫爆管相同。爆管后對該管子進行化學成分分析就很容易件查處事故的原因。在制造、安裝和檢修時，未經計算就選用了低一級的鋼管，即認為是錯用鋼材。管理不善也往往會錯用鋼材。
　　焊接缺陷。鍋爐爐箅子爐條受熱面管之間的連接采用熔化焊接形成永久接頭的方法使其結合，一般采用鎢極氬弧焊或氬弧打底加電焊蓋面的工藝方法。焊接缺陷是因為沒有嚴格執行焊接工藝或焊接工藝不成熟以及熱處理工藝不當，造成焊縫存在氣孔、夾雜、夾渣、未熔合，未焊縫，裂紋，表面咬邊等焊接缺陷，及熱處理產生的過燒、再熱裂紋，或處理不夠，沒有很好的消除焊接應力。焊接缺陷的存在降低了有效壁厚，使其承載后產生應力集中；貫穿性缺陷破壞了受熱面管的氣密性，上水或承壓后泄漏。焊接或熱處理不規范，產生附加應力，與承載應力疊加造成焊口拉裂爆管。
　?。ㄋ模崞诹鸭y。當金屬材料的工作溫度或膨脹系數有差別時，各部分膨脹和收縮會相互約束而產生附加溫度應力，也稱熱應力。如果溫度發生變化，熱應力也將隨之變化，同時伴隨著彈塑性變形的循環，塑性變形逐漸積累引起損傷，最后導致破裂。金屬材料經受多次周期性熱應力作用而遭到的破壞稱為“熱疲勞”破壞。構件的熱應力往往與動態和靜態的機械應力疊加在一起發生作用。發生熱疲勞的管子外表面有大量的裂紋。一種是呈叢狀的平行橫向裂紋，產生直線型疲勞裂紋是由于管子的軸向剛性較大而橫向剛性較小，如全焊式膜式水冷壁管子外表面熱疲勞裂紋多為這一類型裂紋；另一種熱疲勞裂紋是網狀裂紋，產生這種裂紋是由兩個方向的熱應力或約束造成的，鍋爐爐箅子爐條受熱面管子也可能出現這種熱裂紋，但一般只會產生于聯箱接管部位管子的內壁。熱疲勞斷口形貌與一般的疲勞斷口的特征相似。宏觀斷口可分為三個區域，即裂源、擴展區和瞬時斷裂區。低合金耐熱鋼的熱疲勞斷口常被一層氧化物所遮蓋，在斷口分析之前必須清洗掉斷口上的氧化物，清洗后的斷口呈現出貝殼狀的疲勞斷口特征，但是，如果斷口上的氧化和腐蝕較嚴重時，斷口清洗后也可能看不到貝紋線。鍋爐爐箅子爐條受熱面熱管工作的可靠性一方面取決于管壁金屬的溫度工況。對于在正常壁溫下具有足夠強度的鍋爐爐箅子爐條鋼管，在由于水力學問題或傳熱惡化問題使管壁溫度超過容許值或管壁溫度長期波動時，鍋爐爐箅子爐條鋼管會因金屬強度下降或金屬疲勞而破裂。線膨脹系數和彈性模量越大，產生的熱應力越大；材料的導熱系數越小，在材料中產生的溫度梯度越大。這些都將導致材料的抗熱疲勞能力降低。
　?。ㄎ澹┠p。鍋爐爐箅子爐條尾部受熱面因飛灰磨損容易發生爆破泄漏。過熱器、再熱器定位管（卡）松動或不到位，使之相互機械磨擦，可以生金屬表面機械磨損爆破泄漏。當燃燒器噴口安裝調整未達到設計要求、燃燒器噴口損壞及三次風帶粉嚴重，一、三次風噴口附近的水冷壁管，可能由于風粉氣流沖刷水冷壁管引起磨損爆破泄漏。鍋爐爐箅子爐條受熱面磨損一般可以分為飛灰磨損和機械磨損兩類，尾部受熱面以飛灰磨損為主，機械磨損次之。飛灰顆粒對于金屬表面的磨損主要是機械作用，即由于飛灰顆粒的沖擊作用和切向作用所引起，而中又以切削作用為主。
　?。└g。腐蝕爆管由于燃用煤種含硫量高、爐內燃燒工況差，燃燒區域內水冷壁管貼壁處煤粉缺氧，燃燒產生的還原性氣體與受熱面管子發生化學作用或電化學作用，造成管子減薄特別是焊口處凹陷（稱高溫腐蝕）而引起爆管泄漏；由于蒸汽含有雜質與受熱面管子發生電化學作用，在管子內壁形成凹坑（稱內腐蝕），該點管壁減薄，當不能承受蒸汽壓力時就發生爆管。金屬材料受周圍環境介質的化學與電化學作用而引起的損壞叫腐蝕失效。腐蝕對部件損壞的表現為失重、破壞材料表面完好狀態和生產裂紋。按腐蝕機理分為化學腐蝕和電化學腐蝕。鍋爐爐箅子爐條受熱面腐蝕分汽、水側腐蝕和煙氣側腐蝕。汽、水側腐蝕按其機理包括苛性腐蝕、氫損害、氧腐蝕、垢下腐蝕及應力腐蝕。煙氣側腐蝕包括水冷壁向火側腐蝕、高溫煤灰（油灰）腐蝕和低溫腐蝕。
　　四、防止鍋爐爐箅子爐條受熱面管失效泄漏采取的措施一是全面利用大修、技改工程、單項工程等機會對老化的磨損大的設備進行大面積的更換。二是利用一切停爐機會對鍋爐爐箅子爐條承壓部件進行檢查，發現缺陷的管子及時進行處理朋輝鍋爐報道。