如何根據爆口特徵判斷爆管原因
1 四管爆漏的種類和定義
四管爆漏是指鍋爐熱交換面中的水冷壁 、過熱器、再熱器和省煤器四種受熱面管由於過熱 、腐蝕 、磨損等各種原因發生破裂、洩漏, 導致爐管失效 , 甚至引起鍋爐事故停機 。
根據其產生的原因不同, 可以按表 1 分類。
爆口特徵判斷法是現場確定爆管原因的重要手段。
爆口特徵主要是指：
（1）爆口位置 : 位於何種受熱面的具體部位是向火側還是背火側。
（2）爆口形狀
1）斷口面是否垂直於軸向 ;
2）爆口邊緣有無明顯變薄情況, 是銳邊還是鈍邊;
3） 爆口內壁有無積垢 ,外壁氧化情況 ,爆口附近宏觀裂紋 ;
4）爆口附近內外壁有無明顯的腐蝕坑;
5）爆口附近內外壁上的裂紋走向 。
（3） 爆口附近的金相：包括相的組成 、數量、形態、大小和分佈 ,以及各類金相裂紋( 性質、大小、形態、走向及其與顯微組織的關係等), 顯微孔洞的大小和分佈,珠光體球化程度和石墨化程度 , 脫碳、過燒 、過熱等。
2 過熱爆管
過熱可分短期過熱和長期過熱兩大類 。
長期過熱
長期過熱爆管通常爆口不大 , 破口斷面粗糙而不平整 ,管壁減薄不多 ,破口邊緣是鈍邊 , 並不鋒利 , 破口附近有眾多的平行於破口的管子軸向裂紋 。
由於長期在高溫下運行 , 爆口附近往往有較厚的黑色氧化皮 。從蠕變原理上來說 , 破口應為塑性斷裂 ,但蠕變爆管往往伴有應力腐蝕 , 這使爆口表現出脆性斷裂的特徵 。
當管子過熱時 , 管子會以加快了的蠕變速度發生管徑脹粗 ,通常在爆口的金相圖中可以看到明顯的蠕變晶間裂紋 ,伴隨有嚴重的球化現象 。
由於長期在高溫下運行 ,在裂紋發展的同時 , 也發生裂紋內部的氧化 , 結果在裂紋內壁上生成了氧化層 , 尤其是粗大的蠕變裂紋處 ,其氧化層更為明顯 。
短期過熱
短期過熱是由於管子在嚴重超溫的情況下力學性能嚴重下降 ,管子在壓力的作用下發生塑性變形以至爆破 。短期過熱爆管按過熱程度的高低又可分為 : （1）瞬時過熱爆管 , 溫度在 Ac3 以上 ; （2）短期直接過熱爆管 ; （3）小鼓包爆管 。
瞬時過熱爆管破口處呈喇叭狀 , 管子嚴重減薄脹粗 ,邊緣鋒利 , 為韌性斷裂 , 外表呈藍黑色氧化組織 。破口的內壁由於管內汽水混合物急劇衝出 , 因此顯得十分光潔 ,管子脹粗嚴重 。管子外壁一般呈藍黑色 ; 破口附近沒有眾多平行於破口的軸向裂紋 , 破口處的組織為羽毛狀貝氏體組織 。
短時直接過熱爆管的爆口很大 , 外形上呈不規則菱形 ,顯微組織碳化物球化 , 破口邊較鋒利 , 破口附近有一定的脹粗並且在離破口較遠處管子也有不同程度的脹粗 。破口組織為鐵素體加塊狀珠光體 , 珠光體已有一定程度的球化 。
小鼓包爆管是局部過熱爆破 , 未爆破部位脹粗不明顯 ,破口處有明顯的小鼓包 , 破口也較銳利 、光滑 。破口組織為鐵素體加塊狀珠光體 , 珠光體已有一定程度的球化 ,晶界上也有滲碳體球。
3 磨損爆管
磨損爆破口的爆口特徵是爆口附近管壁有明顯的減薄 ,爆口金相無明顯變化 , 屬於韌性破裂 , 爆破邊緣呈薄形 。
受熱面磨損引起四管爆破 ,因磨損機理的不同 ,可以分為以下幾類 :
( 1) 飛灰磨損 ;
飛灰磨損是造成低溫受熱面磨損 、洩漏 、爆管的最重要原因之一 。試驗表明 , 對於碳鋼表面 , 衝擊角為30° ～ 50° 的部位磨損最嚴重 , 會在管壁表面造成一個磨損稜角 。同時在鍋爐中 , 飛灰磨損造成低溫受熱面爆管主要是因為該處存在煙氣走廊 。
( 2) 機械磨損 ;
機械磨損的產生原因是受熱面管排上的管卡常會因過熱變形或焊接不牢固而開焊 , 造成管子振動並與管卡相磨 ,或者水冷壁與其他相鄰部件有撞擊或摩擦 ,使管壁磨損減薄 ,當管壁減薄到一定程度時 , 在內壓的作用下 ,管子發生爆破 。因此 ,可在管子表面發現有明顯的機械摩擦痕跡 。
( 3) 吹灰磨損 ;
吹灰器的投入 ,會造成管壁磨損問題 。吹灰磨損的外形與飛灰磨損較為相象 , 管壁的金相也相似 , 通常只是機械性磨損 , 發生塑性破壞 , 管壁磨損處明顯減薄 。一般發生磨損爆管的地方都位於吹灰器的吹灰管排處 。
( 4) 煤粒磨損 ;
煤粒磨損一般是由於三次風嘴( 或主火嘴) 燒壞變形 ,帶粉氣流沖刷到周圍水冷壁而造成的 。對於煤粒磨損 ,其破口特徵為 : 爆口沿向火面中心線一側的壁厚最薄處開裂 ,然後以向火面另一側為軸呈掀開狀 。爆口邊緣呈刀刃狀 ,一端撕裂 , 爆破管及兩側管無脹粗 、鼓包 。向火面中心線一側嚴重磨損減薄 , 爆口附近管可能有結渣現象 。爆口邊緣及相鄰管向火側的金相組織變化不大 ,爆口邊緣的鐵素體晶粒無明顯拉長現象 ,說明水冷壁爆破時塑性變形不大 。
( 5) 掉渣磨損
落焦造成磨損實例較少 ,發生後會在冷灰鬥斜面上產生點狀穿孔洩漏
4 腐蝕爆管
由於外部介質與受熱面管子發生化學作用或電化學作用而引起的爆管稱為腐蝕爆管 。雖然腐蝕爆管佔總爆管數的比例較低 , 但由於具有突發性和不可預測性 ,腐蝕一旦發生 , 受損範圍較大 , 往往造成大面積的受熱面損壞 。
爆管按腐蝕發生的部位 ,可分為煙氣側腐蝕和水側腐蝕爆管 。
煙氣側腐蝕
煙氣側腐蝕又因產生的部位和條件不同 ,可分為高溫腐蝕和低溫腐蝕 。當燃用高水分高硫燃料時 ,高溫受熱面管子受到腐蝕 ,稱為高溫腐蝕 。低溫腐蝕則是指尾部低溫受熱面所受到的腐蝕 。
1
高溫腐蝕
由煙氣側高溫腐蝕而引起的爆管 , 有以下幾種腐蝕機理：（1） SO2 、SO3 、H2S 等腐蝕性氣體作用；
（2）硫酸鹽型的高溫腐蝕機理；
（3）硫化物型的高溫腐蝕機理。在破口附近可清楚地辨認出一大片腐蝕區 , 腐蝕區凹凸不平; 在破口附近管壁減薄, 爆口呈拉裂狀 ,裂口較長。
腐蝕爆管與磨損爆管的區別在於: 磨損爆管附近管壁很光滑,並有一個磨損的稜角 ,而腐蝕爆管附近則凹凸不平 ,無明顯的稜角存在 ; 破口的金相組織無明顯變化 ,破口處晶粒拉長 ,為韌性斷裂; 煙氣側腐蝕爆管管壁外存在含硫的沉積物 ,靠近基體側一般為黑色沉積物 ,與管壁結合緊密。
2
低溫腐蝕
低溫腐蝕爆管主要發生在給水溫度較低的省煤器上。低溫腐蝕爆管的破口附近也有凹凸不平的腐蝕區存在 ,破口呈拉裂狀 ,金相組織無明顯變化 , 破口處晶粒拉長,為韌性斷裂 。
水側腐蝕
鍋爐爐管也會由於水側腐蝕導致爆管 , 水側腐蝕主要有鍋內水局部濃縮引起的運行中腐蝕 , 給水含氧引起的氧腐蝕和因應力產生的苛性脆化等幾種。苛性脆化主要發生在脹接或鉚接鍋爐中, 大型電站鍋爐中較少見。
1
酸性腐蝕和鹼性腐蝕
鍋內水局部濃縮引起的運行中腐蝕的過程可描述如下：爐水在管內沉積物下面 、蒸發受熱面的縫隙以及爐管內產生汽塞的部位發生局部的濃縮 , 產生濃酸或濃鹼, 破壞爐管內表的 Fe3O4 保護膜, 從而造成了爐管金屬表面被酸鹼腐蝕, 可分別稱為酸性腐蝕和鹼性腐蝕。
鹼性腐蝕常發生在多孔沉積物下面 , 爆口附近腐蝕產物與金屬表面附著性較差, 腐蝕產物中夾有磷酸鹽、硅酸鹽等爐水成分 ,除去腐蝕物後, 有凹凸不平的腐蝕坑 。由於在濃鹼條件下氫離子少, 產生的氫且容易擴散出去,不會滲入鋼中造成脫碳現象,坑下金屬的金相組織和機械性能都沒有變化, 金屬仍保持其延展性,爆管是由於腐蝕破壞使管壁減薄過熱鼓包所致 。
酸性腐蝕常發生在比較緻密的沉積物下面 ,由於在濃酸條件下氫離子濃度高 ,生成的氫不容易擴散出去,部分滲入到鋼中 ,和鋼中滲碳體 Fe3C 反應, 因此酸性腐蝕和氫脆現象總伴隨在一起。爆口附近腐蝕產物與金屬表面結合較牢固, 金屬表面存在腐蝕坑 。大部分爆口的內壁表面脫碳, 管壁面多有微裂紋存在, 這些裂紋連成網狀, 多為沿晶破裂 。爆口脹粗不明顯, 破口斷面平齊 、粗鈍 ,呈脆性斷裂特徵。
2
鍋爐的氧腐蝕
鍋爐的氧腐蝕是電化學腐蝕。氧腐蝕主要發生在省煤器入口段受熱面內壁 ,嚴重時可達省煤器中部直到鍋爐水冷壁。其主要特徵是潰瘍腐蝕 , 在被腐蝕的金屬表面形成許多小型鼓包, 其直徑差別很大 ,鼓包表面顏色由黃褐色到磚紅色 ,次層為黑色粉末物 ,金屬表面有腐蝕坑。爆口金相組織變化不明顯 ,為韌性斷裂。
5 疲勞破壞
鍋爐爐管因啟停或負荷變化受到交變熱應力和機械應力作用,同時由於管子和管內工質的重量 ,管子也承受著重力的作用, 當管子因各種原因產生振動時 ,管內應力也發生週期性的變化 ,從而造成了爐管的熱疲勞和振動疲勞。
1
振動疲勞
振動疲勞常由於支吊失效或佈置不合理引起, 其斷口處沒有明顯的減薄現象, 為橫向斷裂。
2
熱疲勞
熱疲勞可由於間斷性的蒸汽停滯或急冷引起的水側金屬週期性冷卻造成, 斷口處一般沒有明顯的減薄,為橫向斷裂,在斷口的下部,可發現多條平行於斷口平面的大小不一的裂紋 ,通過對裂紋尖端的金相觀察 ,裂紋是沿晶開裂, 存在有二次沿晶裂紋, 裂紋尖端不連續,其擴展方向垂直於管軸方向。吹灰時急冷或渣層間斷性地浸潤受熱面管也會造成溫度的週期性變化,導致爐管疲勞破壞, 在爐管外表面產生“大象皮膚狀”密佈的多處橫向裂紋 。
3
腐蝕疲勞
鍋爐內存在著各種腐蝕現象, 部件腐蝕介質作用產生的疲勞破壞為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞的爆口外表面或內表層通常會有腐蝕層或氧化物層附著。爆口一般無脹粗、鼓包現象,無壁厚減薄現象 ,沒有塑性變形 ,呈脆性斷裂 。破口裂紋斷口面較平齊 ,與管子壁厚垂直,但不光滑。腐蝕疲勞破壞一開始時, 往往以多裂紋源的方式進行,因此在斷面上常有獨特的多齒狀特性 。
6 焊接質量和異種鋼焊接
焊縫質量問題在我國四管爆漏中一直居高不下,以手工電弧焊為例, 易發生的缺陷為 : 咬邊、滿溢、焊瘤、內凹( 塌腰)、未焊透、夾渣 、氣孔 、裂縫(包括熱裂縫、冷裂縫和再熱裂紋等),這些焊接質量問題造成焊接部位產生應力集中和接頭機械性能下降等問題, 致使焊口處成為薄弱部位而造成爆管 。焊接質量爆管容易識別,因其破口總是發生在焊接部位 ,破口一般沿有缺陷處破裂 ,裂紋較直 。異種鋼焊接部也是易造成爆管的部位 ,會在焊接接頭處因熱脹差發生環向的破裂。
鍋爐四管爆漏頻繁發生。鑑別這些損壞發生的原因有助於揭示鍋爐存在的隱患，如果不作處理，將會導致更為嚴重的問題。大部分損壞的原因都可歸結為幾個根本原因中的一個。全面的金相故障分析通常能揭示出其根本原因；然而，並不需要對所有損壞的管子都進行金相分析。損壞管子的外觀形貌能就損壞的原因提供有交織的訊息。這一訓息有助於縮小可能產生管子爆破原因的範圍，有時，結合一些鍋爐運行方面的知識就足以確定其損壞的原因。
本圖冊列舉了一些最為常見的鍋爐四管爆破損壞類型的實例。該圖冊將用作一種導則以幫助鑑別常見管子損壞的原因。但必須注意到，僅根據外觀形貌無法區別許多損壞模式，某些時候不同的原因會導致看上去外觀形貌是相同的損壞。頻發的或嚴重的管子損壞必須通過一個合格的金相試驗室進行全面分析，以便能鑑別出真正原因。
