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潮州电厂#2炉末级过热器爆管分析


广东大唐潮州发电厂#2炉是一次中间再热、超临界压力变压运行的本生(Benson)直流锅炉。单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、Ⅱ型布置。末级过热器位于折焰角上方,沿炉宽方向排列共30片管屏,每片管组由20根管子绕制而成,进出口段上方的管子为φ44。5mm x7。5mm、SA-213 T91,底部管子为φ44。5mmx7。5mm、SA-213 TP347H。

自2007年7月至2008年2月29日,#2机组一直运行,春节期间带过满负荷,后因为问题停机。3月7日启动。2007年3月8日并网带负荷几个小时,最高负荷约400MW,锅炉四管泄漏报警,确认锅炉爆管。


1  检查情况

1.1 爆管管子检查情况
    停炉后检查发现末级过热器进口B侧数第9排炉前数第14根、B侧数第13排炉前数第15根、B侧数第22排炉前数第4根爆破,爆管位置均在异种钢焊口上方约50mm处,爆破管子材料均为T91。爆管位置如图1所示;爆破口如图2所示。3根管子破口都具有完全延性断裂的特征,呈刀刃型断口,边缘锋利,管壁减薄很多,爆管破口胀粗明显,张开很大呈喇叭状,破口附近的管子外壁有许多与破口方向一致的纵向裂纹,测量表明部分T91管子有不同程度的胀粗。


1。2 其它管子的检查情况
    除以上3根管子爆破外,检查发现多根管子有过热迹象,见表1。


1.3 异物情况检查
    将B侧数第11排外数第1根管子沿异种焊口割下,在下弯头处倒出大量氧化皮,如图3所示。分析认为,该氧化皮为TP347H在使用中产生的,此次爆管就是由于氧化皮在弯头中沉积造成管子堵塞,引起通流变化,从而使管子超温爆管。


表1:管子过热情况

序号

 位   置

 检  验  情  况

 1

 B侧数第7排外数第13根

 管子外表颜色变黑.T91管子胀粗

 2

 B侧数第11排外数第1根

 管子外表颜色变黑,T91管子胀粗

 3

 B侧数第17排外数第10根

 管子外表颜色变黑.T91管子胀粗

 4

 B侧数第20排外数第10根

 管子外表颜色变黑.T91管子胀粗

 5

 B侧数第21排外数第12根

 管子外表颜色变黑.T91管子胀粗


1.4 金相、硬度检查 
    金相组织:在有超温迹象的TP347H管子上取金相试样.基体为奥氏体。部分碳化物聚集在晶界上形成细的碳化物链,如图4所示,表明管子在运行过程中曾在一个较长的时间内处于超温状态,导致组织过热,产生加速老化现象。
    晶粒度:6级
    硬度试验:用显微硬度计检测两点,硬度分别为178HB和202HB,ASME标准要求该材料的正常硬度为≤192HB,说明材料的性能由于超温而发生了变化。

 

2 氧化皮脱落和堵塞分析

2.1 不锈钢在水蒸汽中的氧化机理:
    检查发现管样的氧化特征是典型的不均匀侵蚀特征,而不是高温下形成的均匀致密的氧化特征。表明氧化皮的形成温度较低。与锅炉的实际运行工况相符。试验表明,低温下(低于580C)不锈钢的氧化特征与普通低合金钢相似,不存在明显的抗氧化优势。
    图5为合金钢中cr质量含量在不同温度下的氧化特征曲线。在温度偏低的情况下,Cr的质量含量增加对氧化抑制作用并不明显,这种现象与cr的扩散机理有关系。
    研究表明,在高温湿氧环境中,Fe-Cr合金氧化进程被显著加速,对于TP347H管子来说,基体元素Fe和合金元素cr均有可能参加氧化反应:
    3H20+2Fe=Fe203+6H
    2Cr+3H20=Cr203+6H
    此外还可能发生如下反应:

  Fe+1/2 02=FeO
  3FeO+l/2 02=Fe304
  2Fe304+1/2 02=3Fe203
    上述反应结果表明.将在过热器管子汽侧表面形成主要的氧化层,即以Fe304、Fe203为主的外氧化层。

 

2.2 高温蒸汽中氧化层的脱落:
    在运行中管子内壁在高温蒸汽的作用下会不断氧化从而形成连续的氧化皮,这种氧化皮通常附着在管壁上,在运行中持续增厚但并不脱落。由于氧化皮的膨胀系数与基体金属相比差别很大。温度变化时二者的热胀冷缩变形不一致就会在其间产生较大的热应力.当热应力值超过脆性氧化皮的抗拉抗压强度及其与金属基体的结合强度时就会引起氧化皮破裂并从金属表面剥离。因此,在机组启停或温度急剧变化时管内氧化皮大面积剥落,脱落使管子表面直接暴露在蒸汽介质中,由于氧化的抛物线特征为初期氧化速度极快,导致反复氧化、反复脱落,氧化速度逐渐加快的恶性循环,如图6所示,脱落后的氧化皮屑掉入管子底部并逐渐聚集就会造成管子堵塞.从而引起管内蒸汽流量降低并最终导致管子过热乃至于超温爆管。

 

3 结论及预防措施:
    通过宏观检验、金相检验和硬度检侧可以确定此次爆管是由于奥氏体不锈钢内壁氧化皮脱落堆积堵管,导致蒸汽流量急剧减小,造成管子局部严重超温而发生。对此,提出以下预防措施:
    1)严格控制蒸汽和锅炉部件金属温度,不得超温运行。
    2)机组起动冲转前尽量利用旁路系统对锅炉过热器、再热器进行蒸汽冲洗,观察凝结水颜色,待凝结水澄清且铁含量小于1 mg/L时,再进行启动。
    3)严格控制和减少锅炉设备启停次数,严格按照锅炉运行规程控制升降温速率。
    4)利用奥氏体不锈钢内壁氧化皮检测技术进行针对性检测,对氧化皮脱落堆积严重的管子进行割管处理。
    5)更换所有超温的的管子。


参考文献:
    1  李耀君。等.不锈钢过热器管氧化皮脱落爆管分析.中国电力,2005,(6):46~49
    2  王正樵.吴幼林.不锈钢.北京:化学工业出版社,1991

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