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合山电厂4号炉过热器爆管及减温器产生裂纹的原因分析
黄志河，刘东胜，刘桂婵
广西电力试验研究院，广西南宁 530023
1 概述
合山电厂4号炉由东方锅炉厂生产，为DG300/100-5型自然循环炉，配套的汽轮机由北京重型电机厂生产，型号：N75-90/535，铭牌出力65 MW。该炉是由220 t/h炉型改为300 t/h炉，由于增加了受热面，出力增加，燃煤量增加，锅炉热负荷大，炉膛温度较高，4号炉实际出力70 MW。主要参数为：额定蒸发量300 t/h；汽包压力10.98 MPa；过热蒸汽压力9.8 MPa；过热蒸汽温度540 ℃；给水温度228 ℃。
该炉1975年投产，初期过热器前段多次爆管，处理后较长时期稳定运行。1994年、1998年Ⅰ级过热器高温段出口处先后爆管多次；Ⅱ级减温器也时常有裂纹产生。因此，1998年2月我们对该炉的过热器和减温器进行了检查和处理。
2 外观检查和取样检查
2.1 外观检查
2.1.1 过热器管爆管部位
位于Ⅰ级过热器高温出口段，右起第24排(即 高温段右起第一排)自后往前第6根(即向火侧第1根)，距顶棚约1.5 m。爆口沿轴向长520 mm，边缘无明显减薄迹象，断裂面粗而不平整，管径明显胀粗，爆口内外表面及未爆破的胀粗管段上均发现比较明显的纵向裂纹，管内壁有0.1～0.3 mm厚的高温氧化皮，质地坚硬。爆口形貌具有明显的长期超温特征。
2.1.2 过热器受损管段
Ⅰ级高温过热器右起第23，25排相应爆口高度处因受爆口喷射吹损而穿孔泄漏，共计5根管。13排至26排同高度处尚有29根管表面有汽水冲刷损伤。
从现场整体外观来看，Ⅰ级过热器还存在管排不够整齐，较凌乱的情况。
2.1.3 减温器情况
近年来，对Ⅱ级减温器停炉检查，发现联箱孔桥时有裂纹，因该部位条件困难不好处理，为不影响生产，每次处理的方法是用焊条吹开，用不锈钢焊条进行堆焊修补，但不久又裂。补焊次数有记录的达4次，特别是在1998年的一次水压试验中共发现孔桥裂纹4处。
2.2 4号炉小修Ⅰ级过热器高温段割管取样及减温器检查
4号炉过热器至1998年2月已运行112 520 h，针对该炉Ⅰ级过热器高温段及减温器存在的问题，为慎重起见，我们对整个过热器管段进行全面检查，参看图1，在Ⅰ级过热器高温段有代表的部位进行取样分析，以了解材质的变化情况，以下是检查方案。
图1 Ⅰ级过热器管高温段
2.2.1 Ⅰ级过热器高温段割管取样
①右起第25排前起第1，6根。在下管夹上200～600 mm段取400 mm管样，分别标为试样1、试样2。
②右起第30排后起第6根在下管夹上200～600 mm段取400 mm管样和上管夹下200～600 mm段取400 mm管样，分别标为试样3、试样4。
③右起第46排后起第6根在下管夹上200～600 mm段取400 mm管样和上管夹下200～600 mm段取400 mm管样，分别标为试样5、试样6。
2.2.2 减温器检查
将Ⅱ级减温器右侧封头原焊缝处割开，检查减温器内部结构及孔桥裂纹情况。
3 检查试验结果
3.1 Ⅰ级过热器高温段割管检查试验结果
外观检查发现管内壁均覆盖一层致密、坚硬、厚度为0.1～0.3 mm的氧化层。
内在试验主要以金相检验为主。
图2(a)～(f)分别为试样1～6的金相检验照片，表1为检验结果。从金相检查结果可看出Ⅰ级过热器高温后段即下弯头至出口联箱间管排材质损伤比较严重，珠光体球化达4～5级。
表1 Ⅰ级过热器高温段割管取样金相分析结果
标号
金相组织
球化级别及晶粒度
试样1
铁素体、珠光体
珠光体球化2级、晶粒度8级
试样2
铁素体、珠光体
珠光体球化2～3级，晶粒度7级
试样3
铁素体、珠光体
珠光体球化4～5级，晶粒度9级
试样4
铁素体、珠光体
珠光体球化5级，晶粒度9级
试样5
铁素体、珠光体
珠光体球化4～5级，晶粒度9级
试样6
铁素体，珠光体
珠光体球化4级，晶粒度9级
图2 金相(600×)检查结果
(a)～(f)分别代表试样1～试样6
3.2 减温器内部检验结果
参见图3，Ⅱ级减温器内壁进汽孔孔桥发现较多裂纹，部分已相连，套筒筋板上也发现多处裂纹，联箱端盖内弧型槽发现整圈裂纹，深度达20 mm左右(封头壁厚50 mm，弧型槽处壁厚为40 mm)。
4 原因分析
4.1 Ⅰ级过热器高温段爆管原因分析
根据试验检查结果分析，Ⅰ级过热器高温段内壁存在较厚的氧化层是导致过热器管长期超温而爆破的主要原因。
据了解，在过去4号炉停炉时，为了避免汽包的上下壁温差不大于50 ℃，而将汽包水位进满，由于汽包无高位水位计，汽包给水时有失控，从过热器进口联箱灌进过热器，给水与温度较高的过热器管相遇，加速发生氧化作用。随着开、停机次数的增加，这种情况多次发生，最后在过热器内壁形成一层致密、坚硬且与管壁金属基体接合紧密，主要成份为Fe\-3O\-4的氧化层。由于管内氧化层的存在影响了传热，造成锅炉运行时该部位过热器管长期超温。因接近出口联箱的过热器管段服役温度较高，形成的氧化层较厚，造成传热更差，随着运行时间的增长，该部位管段材质劣化严重，这从试样3～6金相分析结果可看出，珠光体球化已达4～5级，造成材质机械性能下降，最后在该部位管段最薄弱的环节发生爆破。
4.2 Ⅱ级减温器裂纹产生原因分析
4号炉减温器为多孔喷管式减温器，其结构如图3所示，这种减温器结构简单，制造安装方便，但水滴雾化质量较差。经分析正是这种结构造成减温器产生裂纹，当减温器给水压力变小时，给水会从套管的喷水端流出，由于减温水与减温器筒体的温度差有200 ℃左右，势必在减温器筒体上产生较大的温度应力，与筒体上过热器连接管焊缝焊接残余应力叠加，产生很大的内应力。随着炉子的起停和运行中减温水压力的变化，减温水溢流，筒体上过热器连接管焊缝残余应力在较大交变温度应力的叠加下，使材料产生疲劳，导致部件在应力集中或强度薄弱部位产生疲劳裂纹，裂纹扩展最后形成孔桥裂纹、封头盖板弧型槽整圈裂纹及套管筋板上的裂纹。
图3 多孔喷管式减温器示意图
5 建议
针对Ⅰ级过热器高温段爆管和Ⅱ级减温器裂纹产生的原因分析，提出以下建议：
①安装汽包高位水位计，监控汽包水位，防止高温状态时汽包进水失控，流进过热器
1管内。
②为确保安全运行，更换材质球化级别已达4～5级管段，即Ⅰ级过热器高温后段下弯头至出口联箱间管排。
③整理Ⅰ级过热器管排，使其间距合乎规定要求。
④对未更换的过热器管进行清洗，清除管内壁氧化层。
⑤更换减温器并对其结构进行技术改造。
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