论文部分内容阅读
1 概述
辽阳某热电厂5号锅炉屏式过热器甲数第5排外圈过热器管（水平管）于2011年6月发生爆裂。
该过热器管材质为12Cr2MoWVTiB钢无缝管；管子规格为Φ42mm×5mm。管内介质为：高温高压过热蒸汽，温度540℃，压力9.8MPa；炉内高温烟气的温度大约为980℃。该组过热器于1993年投入使用。
2 宏观分析
过热器管爆口位置在屏式过热器水平管转弯处（靠近竖直管）的向火面上。该管爆口处及其附近的管径未发生明显的胀粗和变形；爆口是纵向开裂，呈厚唇“鱼嘴状”特征；爆口附近还有多条纵向裂纹存在，与爆口呈平行状态，见图1。从该过热器管爆口的形貌特征来看，属于长期过热爆管破坏。
图1 过热器管爆口部位宏观形貌
3 化学成分分析
从屏式过热器管上，取块状样品，依据GB/T 16597-1996等，使用荧光光谱仪等，对其材质进行化学成分分析，结果如表1所示；表2是12Cr2MoWVTiB的标准化学成分。比较可见，屏式过热器管材质成分符合标准要求。
表1 屏式过热器管的化学成分分析（质量分数/%）
表2 12Cr2MoWVTiB钢管的化学成分（质量分数/%）
4 金相分析
从过热器管爆口处和离爆口较远处取横向金相样品，经预磨、抛光和4%硝酸酒精浸蚀后，观察分析其金相组织，并参照《DL/T 884-2004火电厂金相检验与评定技术导则》[2]中的“非珠光体钢的组织老化评定”方法，对该过热器管爆口处、离爆口较远处的管壁金相组织老化程度进行评定。
（1）爆口处向火面：过热器管爆口处的向火面内、外管壁有多条裂纹产生并发展，造成管壁厚度的局部严重减薄，当裂纹扩展到一定程度，使管壁的有效厚度不足以抵抗管内压力时，就会发生管壁的爆口；爆口的产生是以在管壁外表面出现的裂纹向内扩展为主；在裂纹的边缘都有氧化层附着，说明裂纹扩展进程较慢，经过较长时间的发展过程；管壁组织的金相组织是回火贝氏体；在爆口附近的管壁组织中，有很多孔洞和裂纹存在，它们沿晶界产生并发展扩大；该处过热器管管壁组织已经严重老化，级别达到5级。
（2）爆口处背火面：在爆口处的过热器管背火面的外、内壁有很厚的氧化层，并且内壁氧化层比外壁的要厚些，氧化层厚度均匀致密，在与管子母材交界处也有一层较薄的内氧化层；管壁组织的金相组织是回火贝氏体；该处过热器管管壁组织已经完全老化，级别达到4级。
（3）离爆口较远处：该处过热器管向火面外壁有大约400μｍ厚的氧化皮层（可见两层，并有开裂），在氧化皮层的外面有1mm以上的灰焦渣层；在向火面内壁也有大约400μｍ厚的氧化皮层（可见两层，并有开裂）；该处过热器管管壁的金相组织是回火贝氏体，老化级别为3~4级即中度老化~完全老化。在该过热器管背火面的管壁内、外表面也有大约150μｍ厚的氧化皮层（可见两层，并有开裂）；管壁的金相组织是回火贝氏体，老化级别为3~4级即中度老化~完全老化。
5 分析与讨论
屏式过热器受炉膛火焰直接辐射，热负荷比较高，而屏中各管圈的结构和受热条件的差别又较大，因而屏式过热器的热偏差较大，特别是外圈管子，直接受到炉膛的高温辐射，工质行程又最长，因而流阻大，流量小，其工质焓增常比平均焓增大40~50%，容易超温烧坏。
通过对爆口过热器管所做的理化检验分析，认为造成过热器管爆口原因如下：
（1）发生爆裂的管子正是位于屏式过热器的外圈，爆口靠近水平管向垂直管转弯的外圆弧处。这个地方本身在屏式过热器制作加工过程中，由于弯管的原因会使该处管壁厚度有所减薄，尤其是在弯头外圆弧处，因此，该处与其它部位管子（如直管段）相比，强度要低些；同时，由于弯头外圆弧的原因，该处又存在较高的拉应力。
（2）过热器管在长期高温高压条件下运行，原来在室温下稳定的组织（回火贝氏体），也会产生很大的变化（发生老化），随着老化程度的严重，管子的强度也在不断下降，并会形成蠕变裂纹，蠕变裂纹的发生和发展，又会造成管子强度的进一步下降。
（3）过热器管在高温下长期运行，在管子的外、内表面都形成了很厚的氧化皮，氧化皮的存在一方面会影响管壁的热传导，使该部位发生超温过热，加速管壁组织的进一步老化，而降低管子的强度；另一方面氧化皮的不断生长，也会不断减薄管子的有效壁厚而降低管子的强度。
（4）由于生成的氧化皮与金属管子母材的热膨胀系数有较大的差别，当氧化皮厚度达到一定时，就会开裂。形成的高温氧化裂纹不仅会使裂纹尖端的母材进一步深入氧化，而且会成为裂纹源并造成裂纹尖端的应力进一步集中，从而加速裂纹的扩展。
综上所述，认为过热器管发生爆管的原因是长期局部过热导致管壁组织老化并形成蠕变裂纹和高温氧化局部应力过大等共同作用的结果。高温氧化裂纹和蠕变裂纹共同作用产生裂纹源，让应力使得裂纹进一步扩展，当无法承受内部压力时最终发生爆管。
6 结论
（1）过热器管材质符合12Cr2MoWVTiB钢的标准要求。
（2）该过热器管经过长期运行，其内、外管壁表面都发生了严重的氧化，形成了很厚的氧化层；过热器管管壁组织为回火贝氏体；爆口处管壁组织已经严重老化（5级），离爆口较远处的管壁组织的老化程度也达到了3~4级即属于中度老化~完全老化。
（3）该过热器管的爆管性质为长时过热爆管。
辽阳某热电厂5号锅炉屏式过热器甲数第5排外圈过热器管（水平管）于2011年6月发生爆裂。
该过热器管材质为12Cr2MoWVTiB钢无缝管；管子规格为Φ42mm×5mm。管内介质为：高温高压过热蒸汽，温度540℃，压力9.8MPa；炉内高温烟气的温度大约为980℃。该组过热器于1993年投入使用。
2 宏观分析
过热器管爆口位置在屏式过热器水平管转弯处（靠近竖直管）的向火面上。该管爆口处及其附近的管径未发生明显的胀粗和变形；爆口是纵向开裂，呈厚唇“鱼嘴状”特征；爆口附近还有多条纵向裂纹存在，与爆口呈平行状态，见图1。从该过热器管爆口的形貌特征来看，属于长期过热爆管破坏。
图1 过热器管爆口部位宏观形貌
3 化学成分分析
从屏式过热器管上，取块状样品，依据GB/T 16597-1996等，使用荧光光谱仪等，对其材质进行化学成分分析，结果如表1所示；表2是12Cr2MoWVTiB的标准化学成分。比较可见，屏式过热器管材质成分符合标准要求。
表1 屏式过热器管的化学成分分析（质量分数/%）
表2 12Cr2MoWVTiB钢管的化学成分（质量分数/%）
4 金相分析
从过热器管爆口处和离爆口较远处取横向金相样品，经预磨、抛光和4%硝酸酒精浸蚀后，观察分析其金相组织，并参照《DL/T 884-2004火电厂金相检验与评定技术导则》[2]中的“非珠光体钢的组织老化评定”方法，对该过热器管爆口处、离爆口较远处的管壁金相组织老化程度进行评定。
（1）爆口处向火面：过热器管爆口处的向火面内、外管壁有多条裂纹产生并发展，造成管壁厚度的局部严重减薄，当裂纹扩展到一定程度，使管壁的有效厚度不足以抵抗管内压力时，就会发生管壁的爆口；爆口的产生是以在管壁外表面出现的裂纹向内扩展为主；在裂纹的边缘都有氧化层附着，说明裂纹扩展进程较慢，经过较长时间的发展过程；管壁组织的金相组织是回火贝氏体；在爆口附近的管壁组织中，有很多孔洞和裂纹存在，它们沿晶界产生并发展扩大；该处过热器管管壁组织已经严重老化，级别达到5级。
（2）爆口处背火面：在爆口处的过热器管背火面的外、内壁有很厚的氧化层，并且内壁氧化层比外壁的要厚些，氧化层厚度均匀致密，在与管子母材交界处也有一层较薄的内氧化层；管壁组织的金相组织是回火贝氏体；该处过热器管管壁组织已经完全老化，级别达到4级。
（3）离爆口较远处：该处过热器管向火面外壁有大约400μｍ厚的氧化皮层（可见两层，并有开裂），在氧化皮层的外面有1mm以上的灰焦渣层；在向火面内壁也有大约400μｍ厚的氧化皮层（可见两层，并有开裂）；该处过热器管管壁的金相组织是回火贝氏体，老化级别为3~4级即中度老化~完全老化。在该过热器管背火面的管壁内、外表面也有大约150μｍ厚的氧化皮层（可见两层，并有开裂）；管壁的金相组织是回火贝氏体，老化级别为3~4级即中度老化~完全老化。
5 分析与讨论
屏式过热器受炉膛火焰直接辐射，热负荷比较高，而屏中各管圈的结构和受热条件的差别又较大，因而屏式过热器的热偏差较大，特别是外圈管子，直接受到炉膛的高温辐射，工质行程又最长，因而流阻大，流量小，其工质焓增常比平均焓增大40~50%，容易超温烧坏。
通过对爆口过热器管所做的理化检验分析，认为造成过热器管爆口原因如下：
（1）发生爆裂的管子正是位于屏式过热器的外圈，爆口靠近水平管向垂直管转弯的外圆弧处。这个地方本身在屏式过热器制作加工过程中，由于弯管的原因会使该处管壁厚度有所减薄，尤其是在弯头外圆弧处，因此，该处与其它部位管子（如直管段）相比，强度要低些；同时，由于弯头外圆弧的原因，该处又存在较高的拉应力。
（2）过热器管在长期高温高压条件下运行，原来在室温下稳定的组织（回火贝氏体），也会产生很大的变化（发生老化），随着老化程度的严重，管子的强度也在不断下降，并会形成蠕变裂纹，蠕变裂纹的发生和发展，又会造成管子强度的进一步下降。
（3）过热器管在高温下长期运行，在管子的外、内表面都形成了很厚的氧化皮，氧化皮的存在一方面会影响管壁的热传导，使该部位发生超温过热，加速管壁组织的进一步老化，而降低管子的强度；另一方面氧化皮的不断生长，也会不断减薄管子的有效壁厚而降低管子的强度。
（4）由于生成的氧化皮与金属管子母材的热膨胀系数有较大的差别，当氧化皮厚度达到一定时，就会开裂。形成的高温氧化裂纹不仅会使裂纹尖端的母材进一步深入氧化，而且会成为裂纹源并造成裂纹尖端的应力进一步集中，从而加速裂纹的扩展。
综上所述，认为过热器管发生爆管的原因是长期局部过热导致管壁组织老化并形成蠕变裂纹和高温氧化局部应力过大等共同作用的结果。高温氧化裂纹和蠕变裂纹共同作用产生裂纹源，让应力使得裂纹进一步扩展，当无法承受内部压力时最终发生爆管。
6 结论
（1）过热器管材质符合12Cr2MoWVTiB钢的标准要求。
（2）该过热器管经过长期运行，其内、外管壁表面都发生了严重的氧化，形成了很厚的氧化层；过热器管管壁组织为回火贝氏体；爆口处管壁组织已经严重老化（5级），离爆口较远处的管壁组织的老化程度也达到了3~4级即属于中度老化~完全老化。
（3）该过热器管的爆管性质为长时过热爆管。