2018, Vol. 36 
火电厂锅炉受热面管包括省煤器、水冷壁、过热器和再热器，简称锅炉“四管”。“四管”泄漏是造成火电厂非计划停机最普遍、最常见的形式，一般占机组非正常停机事故的50%以上[1]。一旦锅炉受热面发生爆管事故，给企业安全生产及经济效益带来巨大影响。本文结合发电企业受热面爆管实例，针对锅炉受热面的不同失效形式进行分析，总结了不同失效形式下受热面爆管的微观、宏观特征，并有针对性地提出防治措施，避免受热面爆管、泄漏事故发生，以减少机组非计划停运次数和时间，提高设备安全运行的可靠性，延长设备使用寿命。
1 锅炉受热面失效形式及预防措施分析锅炉受热面失效形式与其在炉膛内的位置、工作环境、运行条件、煤粉质量等多种因素有关，具有多样性和复杂性。常见的锅炉受热面爆管有短时过热、长时过热、磨损、氢脆、晶间腐蚀、高温硫腐蚀、原始缺陷等。
1.1 短时过热 1.1.1 特点锅炉受热面在运行过程中由于冷却条件恶化，使管壁温度短时间内突然升高，导致材料强度下降，在内部高温介质压力作用下发生塑性变形，管径胀粗，管壁减薄，最终爆破泄漏的现象称为短时过热爆管。短时过热爆管超温幅度较大，通常会超过下临界点AC1，甚至达到上临界点AC3以上，大多发生在水冷壁向火侧或过热器、再热器弯头附近。
1.1.2 失效案例图 1为某厂锅炉水冷壁钢管短时过热爆口宏观形貌和微观组织结构。该钢管直径57 mm、壁厚6.5 mm，材质为SA210C。爆管具有延性断裂的特征，爆口开口较大，管径明显胀粗，管壁厚度减薄，爆口内外表面比较光滑；爆口处组织明显畸变，沿变形方向被拉长，而爆口对侧组织几乎不发生变形；此外爆口处金属因受到管内介质的激冷作用，出现不完全相变组织。
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图 1 短时过热爆口宏观形貌和微观组织结构 |
（1）定期检查受热面下弯头处异物、氧化皮等沉积物的堆积情况，发现异常及时清除。
（2）改进锅炉受热面结构，使介质流量分配合理。
（3）加强对锅炉受热面壁温的监督。
（4）改善锅炉燃烧状况，防止燃烧中心偏高。
（5）锅炉启动前，确认受热面下弯头处无积水，避免启炉时发生水塞。
（6）稳定运行工况，防止锅炉缺水。
1.2 长时过热 1.2.1 特点锅炉受热面长期超温运行，造成钢管组织老化、力学性能下降，最终发生蠕变破裂的现象称为长时过热爆管。长时过热爆管超温幅度较小，通常不会超过下临界点AC1，且大多发生在过热器的高温段。
1.2.2 失效案例图 2为某厂锅炉高温过热器钢管长时过热爆口宏观形貌和微观组织结构。该钢管直径38 mm、壁厚4.0 mm，材质为12Cr1MoVG。爆管沿轴向开裂，爆口开口较小，呈脆性断裂特征；爆口处钢管管径略微胀粗，壁厚少许减薄；爆口断面粗糙，呈不平整钝边；钢管内外壁均存在较厚的氧化皮，爆口附近管子外壁有许多与爆口方向一致的老树皮状纵向裂纹；爆口处存在大量蠕变裂纹，组织老化严重，此外钢管的向火侧抗拉强度低于相关标准要求[2]。
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图 2 长时过热爆口宏观形貌和微观组织结构 |
（1）合理设置锅炉受热面的温度测点，定期校验温度表计，同时综合考虑介质与管壁的温差、向火侧和背火侧的温差对受热面管壁温度监测的影响，保证测试数据的全面、准确。
（2）锅炉启动时，严格控制锅炉相关参数，避免因介质流量过小造成受热面管壁超温。
（3）合理投放减温水，控制介质温度，避免受热面超温。
（4）加强燃煤管理，使锅炉实际使用煤种接近设计煤种。
（5）将受热面工况较恶劣的部位更换为高温下组织稳定性更好的材料。
（6）严格控制水质，避免受热面内壁结垢。
（7）合理控制相关燃烧参数，减少热偏差，保证受热面内介质流量分配均匀，避免外壁结焦。
（8）定期进行受热面钢管取样检测，发现钢管组织老化严重，及时更换。
1.3 磨损 1.3.1 特点锅炉受热面钢管因灰粒高速冲击管壁导致其磨损减薄而爆管的现象称为磨损爆管。磨损爆管通常发生在吹灰器、燃烧器附近以及出列的钢管迎风侧。
1.3.2 失效案例图 3为某厂锅炉水冷壁钢管磨损爆口宏观形貌和微观组织结构。该钢管直径60 mm、壁厚7.0 mm，材质为SA210C。钢管外壁减薄明显，存在磨损痕迹，管壁无明显胀粗现象，爆口附近金相组织几乎不发生变形。
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图 3 磨损爆口宏观形貌和微观组织结构 |
（1）加强防磨、防爆检查力度。
（2）完善购煤渠道，做好入厂燃煤的验收及分堆存放、入炉燃煤的掺配工作，优化燃煤煤质。
（3）正常使用和维护防磨装置，避免炉墙漏风。
（4）定期清理受热面积灰，避免形成烟气走廊。
（5）定期检测吹灰器状况，发现异常立即处理。
1.4 氢脆 1.4.1 特点氢脆爆管是由于氢原子进入金属后在晶界聚集，与受热面管中的C反应生成CH4，从而造成钢的脱碳，同时在金属内部产生应力，发生沿晶开裂爆管。一般氢脆多发生在水冷壁迎火侧热负荷较高的区域。
1.4.2 失效案例图 4为某厂锅炉水冷壁钢管氢脆爆口宏观形貌和微观组织结构。该钢管直径60 mm、壁厚5.0 mm，材质为20G。钢管爆口呈现典型的“开窗式”特征，迎火侧内壁腐蚀减薄严重；爆口处组织发生脱碳，爆口呈沿晶断裂特征，并伴有晶粒脱落现象。
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图 4 氢脆爆口宏观形貌和微观组织结构 |
（1）选用耐氢脆钢作为锅炉受热面材料，阻止H2扩散。
（2）加强锅炉水质监督，控制H2析出量。
（3）定期对锅炉受热面进行除垢处理。
（4）避免受热面超温运行。
1.5 晶间腐蚀 1.5.1 特点晶间腐蚀爆管是指奥氏体不锈钢受热面钢管，在热处理、热加工或焊接过程中长时间处于敏化温度区间，钢中的碳元素与铬元素结合并在晶界析出，使晶界出现贫铬现象，造成晶界抗腐蚀能力下降，此时受到外力作用钢管会沿晶界断裂爆管。一旦发生晶间腐蚀，材料的强度几乎完全消失，是最危险的破坏形式。晶间腐蚀爆管多发生在受热面焊缝附近或热弯管处。
1.5.2 失效案例图 5为某厂后屏再热器钢管晶间腐蚀裂口宏观形貌和微观组织结构。该钢管直径51 mm、壁厚6.0 mm，材质为TP304H。钢管沿周向开裂，裂口呈现沿晶断裂特征，局部区域存在晶粒脱落现象。
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图 5 晶间腐蚀裂口宏观形貌和微观组织结构 |
（1）选择碳含量尽可能低的母材和填充金属（L型，如304L和316L）。
（2）在奥氏体不锈钢中加入钛和铌，避免形成贫铬区。
（3）焊接或热加工后立即进行固溶处理，使碳化物充分溶解并在常温下保留在奥氏体中，提高不锈钢的抗腐蚀性。
（4）严格控制焊接工艺，采用较低的焊接热输入和较低的层间温度，以提高焊缝冷却速度，缩短在敏化温度区间停留时间。
（5）尽量消除受热面钢管的残余应力及安装应力。
（6）使用退火母材金属或在焊接前进行退火，以消除冷加工的影响。
1.6 高温硫腐蚀 1.6.1 特点高温硫腐蚀是指受热面钢管在高温下与含硫介质作用，生成硫化物，造成钢管管壁不断减薄爆管。通常高温硫腐蚀多发生在燃烧器附近的水冷壁钢管向火侧。
1.6.2 失效案例图 6为某厂锅炉水冷壁钢管宏观形貌和腐蚀产物能谱图。该钢管直径60 mm、壁厚6.3 mm，材质为SA210C。钢管向火侧管壁减薄明显，外壁腐蚀产物为灰黑色，腐蚀产物组分中硫元素含量较高，在炉膛高温燃烧环境下，为受热面的高温硫腐蚀提供了充分条件。
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图 6 钢管宏观形貌和腐蚀产物能谱图 |
（1）严格控制燃煤质量和煤粉细度。
（2）优化炉内空气动力场，避免出现还原性气氛。
（3）加强煤粉输送调整和炉内温度场优化。
（4）采用热浸渗铝、超音速电弧喷涂等表面处理技术，提高受热面钢管抗高温腐蚀能力。
1.7 原始缺陷 1.7.1 特点锅炉受热面钢管因原材料自身缺陷，如在冶炼、铸造、轧制、运输和安装过程中造成的裂纹、气孔、砂眼、夹杂物、折叠和划痕等缺陷，在长期运行过程中，缺陷不断扩展最终爆管。
1.7.2 失效案例图 7为某厂高温再热器钢管原始缺陷所致爆管宏观形貌和微观组织结构。该钢管直径40 mm、壁厚5.0 mm，材质为12Cr1MoVG。钢管爆口为轴向线状裂纹缺陷，裂纹平直无分叉，内壁存在鸡爪形折叠缺陷，爆口和折叠边缘存在较厚氧化层，并伴有脱碳现象。
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图 7 原始缺陷所致爆管宏观形貌和微观组织结构 |
（1）在新建安装或检修更换锅炉受热面时，加强受热面钢管的无损检测和理化测试工作，严防使用有缺陷的管材。
（2）在安装之前进行受热面通球试验和超水压试验，确保质量缺陷及时发现并处理。
2 结语通过对发电企业锅炉受热面管泄漏事故的对比分析，总结了长时过热、短时过热、磨损、晶间腐蚀、氢脆、高温硫腐蚀、原始缺陷爆管的宏观和微观特征，确定了不同受热面失效形式的特点及原因，并有针对性地提出防治措施，最大限度地避免受热面爆管事故发生，保证机组安全稳定运行。
| [1] | 朱逢民. 超临界锅炉四管泄漏原因分析及治理[J]. 广西电力, 2011, 34(4): 56–58. |
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| [6] | 吴东亮, 刘洪洋. 电站锅炉产生高温硫腐蚀机理及预防措施[J]. 华北电力技术, 2007(12): 52–54. DOI:10.3969/j.issn.1003-9171.2007.12.016 |