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超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析

第31卷第1期 2011年1月

动力工程学报

Journal of Chinese Society o f Pow er Engineering

Vol.31No.1 Jan.2011

收稿日期:2010 05 28 修订日期:2010 07 16

作者简介:赵慧传(1963 ),男,吉林东丰人,教授级高工,主要从事火电厂金属技术监督和研究工作.电话(T el.):159********;

E mail:zhaohc66@https://www.wendangku.net/doc/d27693900.html,.

文章编号:1674 7607(2011)01 0069 06 中图分类号:T K 212.1 文献标识码:A 学科分类号:470.20

超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析

赵慧传1, 贾建民2, 陈吉刚2, 梁军1, 杨红权3, 尹成武3

(1.神华国华(北京)电力研究院有限公司,北京100069; 2.西安热工研究院有限公司,西安710032;

3.国华太仓发电有限公司,太仓215433)

摘要:为研究超临界锅炉末级过热器爆管的原因,对1台600M W 超临界锅炉末级过热器爆管

上游管和相关管样的内壁氧化物的宏观形态、微观结构,脱落氧化皮的微观结构、物相、各区域的微观形态和成分等进行了分析.结果表明:堵塞末级过热器下弯头造成过热器爆管的脱落氧化皮来自于T23/T91钢管的T23管段内壁,而非T 91管段内壁;T 23钢管内壁氧化皮为二层结构,外层为粗大柱状晶的纯磁铁矿(Fe 3O 4),内层为等轴细晶的含W 和Cr 的尖晶石;原生氧化皮内层存在一条或多条沿圆周方向排列的孔洞链,氧化皮容易沿孔洞链分离,从而造成氧化皮脱落.关键词:超临界锅炉;过热器;T 23钢管;T 91钢管;蒸汽氧化;氧化皮脱落

Burst Cause Analysis of Final stage Superheater

Tubes for a Supercritical Boiler

ZH A O H ui chuan 1, J I A J ian min 2, CH E N J i gang 2, LI A N G J un 1,

YA N G H ong quan 3

, YI N Cheng w u

(1.Shenhua Guohua (Beijing)Electric Po wer Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100069,China;

2.Xi'an T her mal Pow er Research Institute Co.,Ltd.,Xi'a n 710032,China;

3.Guohua Taicang Pow er Plant Co.,Ltd.,T aicang 215433,China)

Abstract:In order to find the causes of tube burst failures encountered by the final stage superheater o f a 600MW super critical boiler,an analysis w as carried out to both macr ostructure and microstr ucture o f the ox ide scales taken from inner surface of r elevant tube samples,and to the microstr ucture,phase,micro m orpho logy and com po sitio n of fall off scales.Results show that the failur e has been caused by ox ide scales split off from inner surface at T 23side o f the T 23/T 91joint,w hich blocked the low er elbow o f the superheater and finally led to the tube burst.T he scale on inner surface of T23tube has a tw o layer str uc ture,of w hich the outer layer is the coarse co lum nar gr ain Fe 3O 4w hile the inner layer fine equiaxed spinel,containing W and Cr element.One or more ho le chains o n inner surface of prim itive oxide skin for med a lo ng the circum ference dir ectio n ar e easy to break and cause the ox ide skin to fall off.

Key words:supercr itical boiler;superheater;T 23tube;T91tube;steam oxidation;falling off of ox ide skin

某厂8号锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉.过热器出口压力为25.4MPa,出口温度为

571 .末级过热器为逆流布置,共计82排,每排12根管,为冷热段布置.末级过热器设计材料按壁温由

低到高分别为T 23、T91铁素体钢和T P347H 奥氏体钢.

2007年6月22日,该厂8号锅炉炉膛内65m 标高层泄漏报警,给水流量异常增大.停炉检查发现锅炉末级过热器发生2处爆管.爆管时,8号锅炉累计运行时间约10000h.

1 宏观检查情况

一个爆口位于末级过热器出口段右数第14排、前数第9根管、距顶棚2m 处,爆口呈现短期过热特征(图1(a));另一个爆口位于右数第24排、前数第11根管、距顶棚2.5m 处,爆口部位胀粗特征明显(图1(b)),割开该爆口下弯管发现内部积聚氧化皮,取出约90g 的氧化皮剥落物.蒸汽吹损减薄和过热胀粗需要更换的管子达42根,利用射线拍片检查又发现6根管子下弯管处有氧化皮堆积[1]

(a)

爆口一

(b )爆口二图1 爆口的宏观形貌

Fig.1 Photos of ruptured tub e samples

经初步分析,认为8号锅炉末级过热器爆管的原

因是:机组启停过程中铁素体钢(T23/T91)过热器内壁氧化皮脱落并在下弯管部位堆积,导致管子流通截面减少、介质流量降低而产生过热,引起爆管.

脱落的氧化皮来自T91管段还是T23管段成为制定预防措施、避免事故重复发生的关键技术问题.

2 试验结果与分析

2.1 运行管内壁氧化物的宏观形态

利用体视显微镜观察各管样内壁氧化物的宏观

形态并分析氧化皮脱落的方式.各管样内壁氧化物的宏观形貌特征见表1,宏观形态见图2~图12.

表1 各管样内壁氧化物的宏观形貌特征Tab.1 Macrostructure of scales taken from

various tube samples

管样编号内壁氧化物状态

111)大片氧化皮脱落、鼓包状脱落、鼓包纵向开裂;氧化皮脱落后纵向沟槽发生锈蚀.

121)鼓包状脱落,鼓包纵向开裂;鼓包易在内壁纵向凸起棱上生成,内圆面上也会产生鼓包.131)大片氧化皮脱落.

242)未发现氧化皮脱落,但整个管样内壁存在氧化皮纵向裂纹.252)未发现氧化皮脱落,但整个管样内壁存在氧化皮纵向裂纹.262)

未发现氧化皮脱落,管样内壁氧化物表面呈浅灰蓝色.

注:1)11、12、13为末级过热器T 23钢管;2)24、25、26为末级过热器T91钢管

图2 11号T 23管样的纵剖内壁形貌(管样计算壁温585 )

Fig.2 Inner su rface appearance of tu be T 23sample No.11

(calculated metal tem perature 585

)

图3 11号T23管样纵剖内壁的体视显微镜照片Fig.3 M icrostructu re of tube T 23sam ple No.

图4 12号T 23管样纵剖内壁形貌(管样计算壁温580 )Fig.4 Inner su rface appearance of T23tube sample No.12

(calculated metal tem perature 580 )

动力工程学报

第31卷

图5 12号T 23管样纵剖内壁体视显微镜照片Fig.5 M icrostructure of tub e T23sample No.

图6 13号T23管样纵剖内壁形貌(管样计算壁温590 )Fig.6 Inn er surface appearan ce of tube T 23sam ple No.13

(calculated metal temperatur e 590

)

图7 13号T 23管样纵剖内壁体视显微镜照片Fig.7 M icrostructure of tub e T23sample No.

图8 24号T91管样纵剖内壁形貌(管样计算壁温610 )Fig.8 Inn er surface appearan ce of tube T 91sam ple No.24

(calculated metal temperatur e 610

)

图9 24号T91管样纵剖内壁体视显微镜照片Fig.9 M icrostructu re of tube T 91sam ple No.

图10 25号T 91管样纵剖内壁形貌(管样计算壁温605 )Fig.10 Inner su rface appearance of tu be T91sample No.25

(calculated metal tem perature 605

)

图11 25号T91管样纵剖内壁体视显微镜照片Fig.11 M icrostructu re of tube T 91sam ple No.

图12 26号T 91管样纵剖内壁形貌(管样计算壁温605 )Fig.12 Inner su rface appearance of tu be T91sample No.26

(calculated metal tem perature 605 )

运行管内壁氧化物的宏观形态如下:

(1)T23钢末级过热器运行管已发生了内壁氧化皮脱落现象,脱离形式有大片状和椭圆状;内壁凸棱上氧化皮易形成鼓包而脱落,内圆面上也会形成氧化皮鼓包而脱落;鼓包一般呈椭圆状,氧化皮起包

分离后先沿椭圆的长轴线开裂,然后氧化皮鼓包脱离,在管内壁遗留下椭圆状的脱离斑痕.

(2)T91钢末级过热器运行管未发生内壁氧化皮脱落;24号和25号管样内壁存在许多几乎平行的纵向氧化皮裂缝,其产生原因是:24号和25号管

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赵慧传,等:超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析

样是爆破管的上游管段,管子因严重超温爆破后,大量相对温度较低的蒸汽从爆口喷出,快速冷却管内壁,从而导致管内壁氧化皮产生纵向裂缝.

2.2 脱落氧化皮的结构和成分2.2.1 脱落氧化皮的微观结构和厚度

4片脱落氧化皮样品的氧化物结构和厚度分析结果见表2,脱落氧化皮样品的典型氧化物结构见图13~图16.

表2 脱落氧化皮的结构特征和各层厚度

Tab.2 Structural features and thickness of each layer of oxide scales

编号氧化皮的结构特征

厚度/m m

内层外层最外层总厚

1氧化皮形貌分二层:内层较疏松、外层为灰色致密层(最外层为白亮层).内层外表

面无白亮层.

0.050.040.010~0.0030.10

2氧化皮形貌分二层:内层为灰色疏松层,其上分布少量白色颗粒;外层为灰色致密

层(最外层为白亮层).内层外表面有一层断续的极薄白亮层.

0.050.060.0100.11

3氧化皮形貌分二层:内层为灰色疏松层,其上分布白色颗粒带,带宽0.02mm;外

层为灰色致密层(最外层为断续的白亮块).内层外表面有一层很薄的白亮层.

0.050.05断续0.10

4氧化皮形貌分二层:内层为灰色疏松层,其上分布白色颗粒带;外层为灰色致密层

(最外层为断续的白亮块).内层外表面有一层很薄的白亮层.

0.04~0.050.04~0.05断续0.

图13 1号脱落氧化皮的微观结构

Fig.13 M icrostru cture of oxide s cale fallin g

off from sample No.

图14 2号脱落氧化皮的微观结构

Fig.14 M icrostru cture of oxide s cale fallin g

off from sample No.

图15 3号脱落氧化皮的微观结构

Fig.15 M icrostructure of ox ide scale falling

off fr om s ample No.

图16 4号脱落氧化皮的微观结构

Fig.16 M icrostructure of ox ide scale falling

off fr om s ample No.4

对比分析脱落氧化皮数据和氧化皮结构特征可看出:

(1)脱落氧化皮厚度较薄,为0.09~0.11mm.

(2)脱落氧化皮结构为二层,外层孔洞数量少而尺寸大,内层孔洞数量多而尺寸小,内层厚度为0.04~0.05mm.由此表明:氧化物不是沿着内、外层之间界面分离而脱落的,而是在氧化物内层分离而脱落的[2 4].

(3)脱落氧化皮外层的表层(最外层)存在不同厚薄的白亮层(Fe2O3层),内层外表面有一层很薄的白亮层或零星的白亮点(Fe2O3颗粒).

(4)在内层靠近外层的一侧存在白色颗粒带或零星的白色颗粒,经X射线能谱分析,确定白色颗粒为富W区,这种现象表明:Fe易扩散到外层形成

72 动力工程学报第31卷

Fe 3O 4或Fe 2O 3,W 的原子半径大,不易扩散,因而沉积在内层,形成富W 区.

2.2.2 脱落氧化皮的物相分析

对脱落氧化皮进行人工筛选,去除异物,然后用D/M ax2400型X 射线衍射仪对内壁脱落氧化物进行X 射线衍射结构分析,结果表明:脱落氧化皮主要由Fe 3O 4和少量的Fe 2O 3组成.其中,Fe 3O 4占87.54%,Fe 2O 3占12.46%.

2.2.3 脱落氧化皮各区域的微观形态和成分

典型的脱落氧化皮微观形态见图

17.

图17 脱落氧化皮折断面结构

Fig.17 M icrostructur e of the fall off oxide scale

利用Fei Q uanta 400H V 扫描电子显微镜和EDAX X 射线能谱仪分析脱落氧化皮的内外层各区域的化学成分,典型氧化皮折断面和内外表面的化学成分分析选区位置的电子图像和表面化学成分半定量分析结果分别见图18和表

图18 脱落氧化皮折断面扫描电子图像

Fig.18 Scanning electr on image of the fall off oxide scale

通过分析可以得出:

(1)脱落氧化皮折断面结构为二层,外层为粗大柱状晶,内层为等轴细晶.

(2)氧化皮折断面外层的化学成分仅含有Fe 和O,可确定氧化皮折断面外层氧化物是纯磁铁矿(Fe 3O 4);氧化皮折断面内层的化学成分除含有Fe

表3 脱落氧化皮各区域X 射线能谱成分分析结果Tab.3 X ray energy spectrum analysis of the

fall off oxide scale

谱图 (O) (V) (C r) (Fe) (W )谱图124.300.33 2.1272.500.71谱图226.60- 2.0370.600.70谱图321.80- 1.0976.500.60谱图417.60--82.40-谱图5

22.40

--77.60

和O 外,还含有W 、Cr 和V,可确定氧化皮折断面内层氧化物是含W 和Cr 的尖晶石.这种现象表明:脱落氧化皮来自T 23钢管内壁.2.3 运行管内壁氧化层的微观结构

2.3.1 T23钢管内壁氧化层的微观结构

T23钢管内壁氧化层的微观结构特征见图19~图

21.

图19 T23钢管的完整二层氧化物

Fig.19 Tw o layer ox ide scale on inner surface of T23

tube

图20 T23钢管内层氧化物的孔洞链

Fig.20 Hole chains in ox ide scale on inner surface of T 23

tube

图21 T23钢管的氧化皮沿内层氧化物孔洞链脱落Fig.21 Falling off of oxid e scale along hole ch ain

of T 23tube

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赵慧传,等:超临界锅炉末级过热器爆管原因的分析

从T23钢管内壁氧化层的微观结构特征可看出:T23钢末级过热器运行管的原生完整二层氧化物的内层较致密,但存在一条或多条孔洞链,孔洞链沿圆周方向排列;内壁氧化物容易沿着圆周方向排列的孔洞链开裂,从而造成内壁氧化物分离.2.3.2 T 91钢管内壁氧化层的微观结构

T91钢管内壁氧化层的微观结构特征见图22和图

23.

图22 T 91钢管的内层氧化物致密层和疏松层Fig.22 Compact and loose layer of ox ide scale on

inner surface of T 91

tube

图23 T 91钢管的完整二层氧化物和径向裂纹Fig.23 Radial cracks in a piece of u nbroken tw o layer

s cale on T 91tu be

从T91钢内壁氧化层的微观结构特征可看出:(1)T 91钢末级过热器运行管的完整二层氧化物的

内层多细孔,一般在内层靠基体金属侧存在孔洞链,孔洞链沿圆周方向排列;内层氧化物致密带和疏松带相间存在.(2)T91管样氧化层的开裂以径向开裂为主.

3 结论

(1)T 23钢末级过热器运行管样均发生内壁氧化皮脱落,脱离形式有大片状和椭圆状;T91钢末级过热器运行管样均未发生内壁氧化皮脱落,管样内壁存在许多几乎平行的纵向氧化皮裂缝.

(2)T23钢管样的原生氧化皮为二层结构:外层为具有粗大柱状晶的纯磁铁矿(Fe 3O 4);内层为

具有等轴细晶的含W 和Cr 的尖晶石;原生氧化皮内层存在一条或多条沿圆周方向排列的孔洞链,氧化物容易沿孔洞链分离,从而造成氧化物脱落.

(3)T 91钢末级过热器运行管样氧化物内层多细孔,靠金属基体侧存在沿圆周方向排列的孔洞链;内层氧化物致密带和疏松带相间存在;T91管样氧化物层的开裂以径向开裂为主,这有助于氧化层的热应力和生长应力松弛.

(4)脱落氧化皮结构为二层:外层仅含有Fe 和O,内层除Fe 和O 外,还含有W 、Cr 和V.脱落氧化皮内层含W 元素,说明脱落氧化皮来自末级过热器T 23钢管内壁,而非T91钢管内壁.

(5)此次爆管的根本原因是末级过热器T 23/T 91钢管的T 23管段内壁在长期高温蒸汽环境下生成氧化皮,机组启停过程中管子的热应力急剧变化,导致缺陷(孔洞链)多的内层氧化物与基体金属分离,大量氧化皮脱落,顺汽流方向堆积到下弯管出汽边,致使管子通流截面减少、介质流量降低而产生过热,最终发生了爆管事故.

(6)T 23钢与T 22钢的Cr 含量相当,二者抗蒸汽氧化性能基本相近.由于T23钢管内壁氧化皮较T 22钢管易脱落,因此,超临界锅炉高温受热面T23钢管计算壁温应控制在570 内.参考文献:

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