一、电站锅炉“四管”的工作环境

电站锅炉“四管”长期在高温、高压、腐蚀介质和磨粒磨损等恶劣工况下运行，加之锅炉“四管”数量多，隐蔽部位较多（水冷壁和包墙管外部），结构复杂（管座角焊缝和对接焊缝、异种钢焊缝、密封焊缝、弯管等），所以，锅炉“四管”的失效预防是一大难题，有时是“防不胜防”的。

“四管”工况条件的四个因素：温度、压力、介质（内部汽、水，外部烟气、粉尘等）和时间。

影响部件长期安全的主要因素有温度和应力。对于锅炉“四管”来说，主要因素是温度，对应的失效方式是蠕变损伤（对于一般机械部件来说，主要因素则是应力，对应的失效方式是疲劳失效）。

二、锅炉“四管”的失效方式

2.1疲劳失效

2.1.1机械疲劳（高周、低周）

①高周疲劳（high-cycle fatigue）：低应力（σ <σs），高循环次数（n> 104）。是一般机械零件的主要失效方式。锅炉“四管”产生高周疲劳的部位一般只有垂直管屏振动导致联箱接管座处疲劳失效。

高周疲劳一般寿命较长，断裂时没有塑性变形，也称应力疲劳，一般具有穿晶特征。在裂纹金相试样上，裂纹呈波动状，裂纹中间没有腐蚀介质和腐蚀产物，裂纹尖端往往较尖锐，疲劳条纹间距小。

②低周疲劳（low cycle fatigue ）：高应力（σ≥σs），低循环次数（N＝102～104）。像压力容器，锅炉联箱管座角焊缝，水冷壁、包墙管等密封处撕裂，梳形密封板柔性差撕裂管子，安全阀管座角焊缝、仪表管接管座角焊缝、汽轮机高中压导汽管法兰焊缝裂纹等，可能因为机组负荷变动、机组启停等部件温度和内部压力变化产生应力变化所导致的失效。低周疲劳一般寿命较短，断裂时常伴随应变的发生，故也称应变疲劳。断口较为粗糙，断口周围往往有残余宏观变形。断口具有扩展区域和瞬时断裂区域，有逐渐扩展区的“海滩”标志。

2.1.2 应力腐蚀疲劳（SCC）

是对应力腐蚀敏感的金属部件（奥氏体、铁素体不锈钢）在拉应力和特定的腐蚀介质条件下裂纹扩展而互生失效的一种通用术语。应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，也可能发生于高韧性的材料中（在韧性材料中，通常是通过显微缺陷的聚合）。裂纹的形成和扩展方向大致与拉应力方向垂直。应力腐蚀开裂的应力值，要比材料抗拉强度小得多。当应力腐蚀开裂扩展至其一深度时（腐蚀介质影响较小），则按正常的裂纹断开。因此，应力腐蚀开裂失效的断面，将包含有应力腐蚀开裂特征的区域、与已发生微缺陷聚合的相联系的“韧窝”特征的区域。

2.1.3热疲劳

常发生在：减温器喷嘴处筒体、过热器和主蒸汽疏水管处、除氧器三抽进汽口、汽包水位线附近、热力系统中相对静态位置——末端或公用系统的静态位置。

2.2 组织老化失效

金属部件长期在高温和应力作用下，将发生蠕变及其他与时间相关的变化，在整个服役期内都将发生显微组织的不断老化和宏观性能的逐渐劣化。显微组织老化的特征通常由碳化物相的一系列变化来表征，其特征包括组织形态改变、相成份改变、碳化物相粗化、相结构改变等，具体讲如：珠光体球化、碳化物聚集、合金元素析出（晶内向晶界偏析）、蠕变孔洞生成、晶界裂纹产生、晶界分离、蠕变脆化等

2.3腐蚀失效

2.3.1 化学腐蚀：水冷壁高温腐蚀、尾部烟道的低温腐蚀、苛性腐蚀、磷酸腐蚀、点蚀、酸洗腐蚀、垢下腐蚀。

水冷壁高温腐蚀：腐蚀速度较快。高温腐蚀三个条件：高温，烟气中高硫份，缺氧（近炉墙处风力不足）。

尾部烟道的低温腐蚀：烟温低于酸露点，产生酸腐蚀。

水冷壁管子结垢，易引起垢下腐蚀。一些中小锅炉对炉水品质控制不严，炉水品质较差，锅炉运行过程中，管子内部大量结垢，常常产生垢下腐蚀爆管现象。

2.3.2奥氏体钢的晶间腐蚀

电站锅炉一般为酸洗沉积遗留物的氯离子腐蚀，或水质问题等导致奥氏体钢的晶间腐蚀。

奥氏体钢抗晶间腐蚀的性能，和介质的化学成分、管子轧制、热处理、焊接等工艺有关，和T8/5，即800℃降至500℃的时间或降温速度有关。对于奥氏体钢，期望T8/5越小越好。

2.3.3氧化腐蚀（管内高温蒸汽氧化和外部高温氧化）

管子内壁氧化腐蚀主要表现为高温蒸汽氧化。

高温蒸汽氧化现象是众多超（超）临界机组共同面临的难题。温度超过约570℃后，温度越高，高温蒸汽氧化现象将越剧烈。当前国内运行的超（超）临界锅炉的蒸汽温度参数已经进入耐热钢的高温蒸汽氧化温度区域，因此，高温蒸汽氧化现象是不可避免的。

2.3.4烟气中的硫腐蚀

除水冷壁管高温腐蚀外，屏式过热器或高温过热器也可能发生硫腐蚀。一般发生在管壁结焦处。

2.3.5氢损伤（氢腐蚀）

在锅炉的水冷壁管子中，当发生汽水分层、蒸汽停滞时，管子壁温升高，蒸汽和高于400℃的铁接触，会产生如下反应：

4H2O+3Fe→Fe3O4+8[H]

此时产生的氢由于不能马上被汽水混合物带走便溶入钢中造成氢损伤，严重时导致爆管。氢损伤多发生在早期小容量锅炉，锅炉酸洗后残留酸液也可能导致氢损伤。其水冷壁采用整体联箱，常常因炉膛四角下部管段吸收热量较少，水冷壁边缘管子内部介质流速偏低。

氢损伤的爆口一般为开窗式的脆性爆破, 断口平坦, 管径无明显塑性变形, 管外壁无腐蚀特征。

防止锅炉氢损伤，应从锅炉设计和运行方式方面入手，避免各部分的流速不均现象，避免发生汽水分层、蒸汽停滞。

2.3.6特殊结构产生的气蚀

管子变截面，管内焊瘤严重，管内水通过变径后，一方面压力陡降，部分产生相变，出现两相介质流；另一方面产生涡流，都加速对管子内壁的冲刷、气蚀。和水泵气蚀的机理有相似之处。

2.3.7电化学腐蚀

沾粘异物、机械损伤、气割火焰或电弧烁伤后，可导致材料表面或局部性能、表面的界面状态、应力状态和电极电位等改变，降低承载能力和抗氧化、抗腐蚀性能，在氧化、腐蚀和应力作用达到一定程度后，造成金属部件疲劳失效。

2.4 超温及过热失效

组织和性能老化是锅炉长期服役，尤其是锅炉超期服役经常产生的现象。但超温和过热也可导致管子和管件的早期失效。金属材料有相应的使用温度范围。在这一温度范围内，如不出现异常工况，金属部件就可以按其设计使用寿命安全运行。但是，实际上总是经常发生超温、过热现象。超温，就是金属超过其额定温度运行。通常并不把各钢材的最高使用温度作为额定温度，而把管子的设计运行温度或电站规定的额定运行温度作为管子的额定温度。

短期超温是金属在较短时间内超过额定温度运行；长期超温则是金属长期处于比额定温度高的温度下运行。

过热，是指金属运行温度接近或超过了其最高许用温度发生早期失效的现象。过热相应分为长期过热和短期过热。长期过热是指金属长时间在应力和超温温度的作用下导致管子爆破，其所超温的水平要比短期过热的超温水平低得多，并且通常不超过钢的临界点Ac1。短期过热则反之，管子金属在短期内由于温度升高而在应力作用下爆破，其超温水平较高，并通常是超过Ac1，因而会出现相变。

长期过热爆管是在超温幅度不太大的情况下的一个缓慢的过程，管子金属长期在应力作用下蠕变变形（管径胀粗）、组织性能老化。而短期过热则往往是一个突发的过程，管子金属在很高的超温温度和内部介质的压力作用下很快爆裂，基本不产生组织老化现象。

由于二者的爆破过程不同，因而其爆破口的变形量、破口形状以及破口的组织变化上都会有所不同。大量的爆管事例说明，短期过热爆管的发生部位是锅炉内直接和火焰接触，以及直接受辐射热的那一部分受热面管子，通常多发生在锅炉的水冷壁管、过热器管和再热器管上；而长期过热则多发生在过热器管和再热器管上。

长期过热是对应于蠕变断裂，而短期过热则对应于高温快速拉断。

过热与超温的含义相似，但区别在于：超温指运行而言，过热则指爆管而言。过热是超温的结果，超温是过热的原因。

2.4.1短时过热（异物堵管、氧化皮堵管、结构、积盐）

短时过热爆口宏观形貌特征：破口张开很大，呈喇叭状，管壁减薄较多；破口附近管子胀粗较大；破口边缘锐利，破口断裂面较为光滑，呈撕裂状。由于爆管时管内汽水混合物急速冲击，水冷壁管的短期过热爆管的破口内壁显得十分光洁；并且短期过热爆管的管子外壁一般呈蓝黑色；破口附近没有众多的平行于破口的轴向裂纹。炉管大幅超温、过热，甚至到AC1以上温度，金属的强度变得极低；在内部介质压力的作用下，快速变形，管径胀大，因此表现出破口处减薄较多，破口边缘锐利，具有撕裂状的韧性断口特征。

管子水质不合格，造成管子内壁结垢导致过热爆管。水垢的主要成分是碳酸钙、碳酸镁、氢氧化镁和硅酸盐等，其质地坚硬，膨胀系数较钢铁大得多，导热系数却小得多。垢导致导热性能降低，管子过热失效；再是管子内壁结垢较厚时，垢的膨胀给管子造成极大的附加应力。结垢导致的过热爆管在早期低参数锅炉的水冷壁管和过热器管上曾发生过。

被卫燃带、或耐火材料阻挡，水冷壁管子吸热少，介质流速小、循环慢，造成其他部位过热爆管的现象也常常发生。

过热器管积盐，也可导致过热器管爆管。汽包旋风分离器结构或安装出现问题，锅筒汇水联箱开裂等均会导致部分汽水混合物不经旋风分离器，直接喷入锅筒，降低了汽水分离效果，产生盐分机械携带，大量飞溅的细小水珠，极易被饱和蒸汽带入过热器，水珠中溶解的盐，在过热器中析出积沉，形成盐垢引起过热器管爆破。结垢、积盐导致的腐蚀有的资料称为“热腐蚀”。短期过热爆管大部分因异物堵塞所引发。短期过热爆管发生后，应尽可能查到异物，断定原因。即使查不到异物，也务必保证爆破管子的管路畅通。

2.4.2长时过热：异物堵管、管内通流截面小、管内流通阻力大、锅炉偏烧或热负荷分布不均、局部泄漏。

爆口形貌特征：爆破前管径的胀粗，以及爆破管的组织性质变化等有蠕变断裂的脆性断口的形貌和特征。破口并不太大，破口的断裂面粗而不平整，破口缘边是钝边，并不锋利，破口附近并有众多的平行于破口的管子轴向裂纹。通常，由于长期处于高温下运行，所以在长期过热的破口外表面上会出现一层较厚的氧化皮，这些氧化皮很脆，容易剥落。

随着超温运行时间的增加，管径就越胀越大，慢慢地在各处产生晶间裂纹；晶间裂纹的继续积聚并扩大就成为宏观轴向裂纹，最后以比正常温度、正常压力下小得多的运行时间而开裂爆管。蠕变晶间裂纹沿晶界发展，都是弯弯曲曲的，因而破口断裂面呈现粗糙而不平整、边缘是钝边的宏观形貌。

2.5 材料用错和材质低劣

低温环境用高等级耐热钢，而焊接材料用低等级耐热钢，并选用低等级耐热钢焊接工艺。

低等级耐热钢用到高温环境，难以承受高温而发生早期失效。

材料质量低劣，性能低下。

管子内部的直道缺陷，导致多台超临界锅炉低温过热器爆管。低温过热器多用15CrMoG这种常规锅炉耐热钢。这种耐热钢相对T23、T91、T92、TP347、TP304来说等级低，经过多年应用，是一种相当成熟的经典耐热钢。可能是当前对高等级新型耐热钢的关注较多，忽略了常规耐热钢的质量控制问题。但直道缺陷，在近期未发现亚临界锅炉发生低温过热器爆管问题。

2.6 焊接工艺不当

2.6.1某过热器管失效事例

过热器管的材质和规格分别为12Cr3MoVSiTiB（π11）和Φ38×6；失效爆破时服役时间为2200小时。

破口位置在焊缝热影响区靠近熔合线处。

部件表面没有机械损伤，破口周围无较厚的氧化皮和明显塑性变形，边缘粗钝且厚度无明显减薄，有准解理纹络，呈脆性断口特征。

2.7  磨粒磨损失效

烟气走廊、吹灰器吹损、火焰监视器处压缩空气吹损、喷燃器处二次风冲刷等，以磨粒磨损方式导致管子失效。

2.8 机械损伤

振动的管子与管子之间，管子与钢架或平台之间摩擦、碰撞导致管子损伤；机械划伤；冲击变形；气割火焰损伤等。

2.9过载

工作压力超过设计或额定压力，导致部件失效。

通常由安全附件故障或限定值错误所致，超压幅度较大。

2.10  结构设计或制造缺陷导致的失效（大多是低周疲劳）

三、失效预防和部分重点监督部位

1、蒸汽吹灰对锅炉“四管”的吹损情况要加强监督

2、炉膛和包墙四角1～5根管的密封鳍片；联箱（包括超临界的水冷壁中间联箱）端部1～5根管子角焊缝；炉膛人孔周围管子密封；火焰监视器压缩空气吹扫装置对管子的吹损情况；喷燃器周围水冷壁管受粉尘冲刷情况

3、炉膛内可能形成的烟气走廊的弯管、直管和墙管

4、锅炉“四管”的涨粗、变色、弯曲出列等

5、做好热力系统防止异物和高温受热面防止氧化皮堵管

6、其他非锅炉“四管”

1)仪表管、取样管接管座角焊缝和对接焊缝

2)减温器，定期检测喷嘴处联箱筒体

3)向空排汽门、安全阀的接管座角焊缝和接管座与管子对接焊缝

4)主汽、过热器疏水管角焊缝

5)阀门内漏

6)除氧器的三抽进汽处

7)汽轮机高、中压导汽管法兰焊缝