電站鍋爐二級(jí)過熱器水塞爆管原因分析

黃權(quán)浩，何朋非，龍會(huì)國(guó)，3

(1． 廣東電力發(fā)展股份有限公司沙角A 電廠，廣東 虎門523061;2． 湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004;3． 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007)

某電廠1 號(hào)鍋爐為某公司B＆WB－2028/17.4－M 型鍋爐，型式為亞臨界、自然循環(huán)、一次中間再熱、擋板調(diào)溫、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、“W”火焰燃燒方式鍋爐，過熱器出口壓力為17.4 MPa，過熱器出口溫度為541 ℃。某次啟動(dòng)前該機(jī)組剛進(jìn)行了汽機(jī)側(cè)試驗(yàn)，停爐后一直未開啟排汽及疏放水，當(dāng)過熱器出口集箱出口壓力為6.16 MPa、溫度為318.4 ℃時(shí)，鍋爐點(diǎn)火按溫態(tài)啟動(dòng)方式啟動(dòng)，約8 h 后，負(fù)荷達(dá)到500 MW(滿負(fù)荷600 MW)、主汽溫度達(dá)到538 ℃時(shí)，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)鍋爐負(fù)壓波動(dòng)大、排煙溫度升高，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)二級(jí)過熱器爆管，二級(jí)過熱器材質(zhì)為T91，規(guī)格為Φ42 mm×6.5 mm。

1 試驗(yàn)方法與分析

1.1 宏觀及內(nèi)窺鏡檢查

二級(jí)過熱器出口管組34－1，36－1 和39－1(管子編號(hào)方式:X－Y，其中X 表示爐左向右數(shù)的屏數(shù)，Y 表示爐前向爐后數(shù)的根數(shù)，下同)直管下彎頭向上約4.5 m 處均有喇叭狀爆口，二級(jí)過熱器管屏布置及爆口位置示意圖如圖1 所示。3 根爆管宏觀形貌類似，外壁呈黑灰色，爆口處開口較大，呈喇叭狀開裂，邊緣有明顯減薄現(xiàn)象，爆口一側(cè)呈脆性撕裂，爆口內(nèi)壁比較光滑，整個(gè)爆管在管子爆裂過程中受反作用力沖擊，嚴(yán)重彎曲變形，36－1 爆管宏觀形貌如圖2 所示。

圖1 二級(jí)過熱器管屏布置及爆管位置示意圖

圖2 36－1 爆管宏觀形貌

對(duì)34－1，36－1 和39－1 爆管相對(duì)應(yīng)的3 個(gè)不同的入口聯(lián)箱進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，未發(fā)現(xiàn)異物。對(duì)爆管附近的35－1，37－1 和38－1 管下部彎頭割管進(jìn)行氧化皮檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯堵塞跡象。

1.2 二級(jí)過熱器脹粗測(cè)量

對(duì)二級(jí)過熱器爆管附近管屏進(jìn)行脹粗測(cè)量，均選取3 個(gè)明顯脹粗部位進(jìn)行測(cè)量(見表1)，從表1可知，爆管附近管屏的迎風(fēng)面第1 根管均存在不同程度的脹粗，說(shuō)明二級(jí)過熱器出口管存在規(guī)律性的過熱現(xiàn)象。

表1 二級(jí)過熱器爆管及附近管脹粗測(cè)量

1.3 啟動(dòng)曲線核查

鍋爐啟動(dòng)前曾進(jìn)行汽機(jī)側(cè)相關(guān)試驗(yàn)，在未排汽和疏水的情況下采用溫態(tài)啟動(dòng)方式直接啟爐，核查本次機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行曲線發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行存在如下問題:

1)過熱器出口溫度變化趨勢(shì)異常。在23:11—23:36 之間，溫度從431.0 ℃驟升至543.8 ℃，局部階段溫升達(dá)8 ℃/min，遠(yuǎn)高于該公司《集控運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定的1.5 ℃/min;

2)集控運(yùn)行規(guī)程規(guī)定在負(fù)荷升至180 MW 和300 MW 時(shí)應(yīng)保壓20 min，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在2 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)均沒有保壓時(shí)間;

3)鍋爐溫態(tài)啟動(dòng)曲線規(guī)定過熱器出口溫度達(dá)到額定出口溫度541 ℃時(shí)的升溫時(shí)間為220 min，此時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)組負(fù)荷為總負(fù)荷的50%(即300 MW)，而此次啟動(dòng)，過熱器出口溫度于23:36 達(dá)541 ℃時(shí)，升溫用時(shí)約160 min，比鍋爐啟動(dòng)要求的220 min 提前了約60 min，并且此時(shí)機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷僅161.7 MW。

1.4 元素分析

采用ARC－MET930 便攜式定量光譜儀和高速紅外碳硫分析儀對(duì)3 根爆管進(jìn)行材質(zhì)分析，分析結(jié)果見表2，符合ASTM A213/213M－07a 《無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼鍋爐、過熱器和換熱器管》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 爆管化學(xué)成分分析 %

1.5 室溫力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)爆管試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3，取樣管的延伸率符合ASTM A213/213M－07a《無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼鍋爐、過熱器和換熱器管》標(biāo)準(zhǔn)要求，抗拉強(qiáng)度除34－1，35－1 取樣管外，其余均符合要求。

表3 取樣管母材力學(xué)性能

1.6 金相組織檢驗(yàn)

對(duì)爆管取樣做金相分析，試樣經(jīng)常規(guī)試驗(yàn)方法制成，用FeCl3鹽酸溶液侵蝕，在蔡司Axio oberver ALm 金相顯微鏡下觀察。39－1 遠(yuǎn)離爆口和爆口處的金相顯微組織分別如圖3(a)，(b)所示。圖3(a)金相組織為回火索氏體，組織正常;圖3(b)為回火索氏體，但組織形態(tài)不明顯，存在碳化物聚集現(xiàn)象，晶界上有孔洞出現(xiàn)，晶粒沿爆破方向存在明顯拉長(zhǎng)變形。

圖3 39－1 爆管金相組織

2 爆管原因分析

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)爆口處開口較大，呈喇叭狀開裂，邊緣有明顯減薄現(xiàn)象，具有短期過熱器爆管特征〔1－3〕。

通過比較各爆管兩處金相組織可知，原材料組織正常，爆口處的組織在管子爆裂之前發(fā)生過組織轉(zhuǎn)變，而T91 在升溫過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度約為856 ℃〔4－5〕，說(shuō)明管子在運(yùn)行過程中曾大幅超溫。超溫管道在介質(zhì)壓力的作用下發(fā)生塑性變形，造成管子管徑脹大、管壁減薄，隨后發(fā)生剪切斷裂而爆管〔6〕。

對(duì)相對(duì)應(yīng)的入口聯(lián)箱內(nèi)窺鏡檢查未發(fā)現(xiàn)異物，爆管臨近管子的割管檢查未發(fā)現(xiàn)下彎頭處存在明顯氧化皮堆積現(xiàn)象，且現(xiàn)場(chǎng)爆管和存在過熱脹粗現(xiàn)象的管子數(shù)量多，管子大面積過熱不是常規(guī)異物堵塞所致。

機(jī)組在啟動(dòng)前進(jìn)行過汽機(jī)側(cè)試驗(yàn)，停爐后未開啟排汽及疏放水，采用溫態(tài)啟動(dòng)方式直接啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)過熱器出口集箱出口壓力為6.16 MPa、溫度為318.4 ℃，而后對(duì)36－1 根管爐膛內(nèi)下部彎頭處加裝溫度測(cè)點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)證，相同狀態(tài)下36－1 根管爐膛內(nèi)下部彎頭側(cè)溫度約為240.2 ℃，可見，啟動(dòng)時(shí)，二級(jí)過熱器下部彎頭內(nèi)積水。且二級(jí)過熱器迎風(fēng)面第一根管均處于聯(lián)箱正下側(cè)，在未排汽、未疏水直接啟動(dòng)的情況下相對(duì)同屏其它管子而言，彎頭處更容易聚集來(lái)自二級(jí)過熱器出口集箱的凝結(jié)水。鍋爐啟動(dòng)過程中，過熱蒸汽溫度達(dá)額定溫度時(shí)溫升速度、時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的負(fù)荷與《集控運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定不符。局部溫升率過快，達(dá)8 ℃/min;過熱蒸汽溫度達(dá)額定溫度的時(shí)間提前60 min，并且此時(shí)相對(duì)應(yīng)的負(fù)荷僅為規(guī)定負(fù)載的54%。機(jī)組在啟動(dòng)過程中升溫過快，在機(jī)組負(fù)荷較低的情況下汽包與過熱器出口壓差小，不利于鍋爐受熱面管中的汽水循環(huán)，在汽水循環(huán)不暢的情況下受熱面管冷卻不充分，造成管壁嚴(yán)重超溫。

3 結(jié)論

綜上可知，停爐后未進(jìn)行排汽及疏放水，造成二級(jí)過熱器下部彎頭積水，尤其是位于中間聯(lián)箱及二級(jí)過熱器出口聯(lián)箱正下方的受熱面管積水更為嚴(yán)重，而這些管恰好是迎風(fēng)面的第一根管，受熱環(huán)境更為惡劣。在運(yùn)行啟動(dòng)過程中，為嚴(yán)格執(zhí)行啟動(dòng)曲線，啟動(dòng)快、溫升時(shí)間短、局部溫升率大，造成二級(jí)過熱器迎風(fēng)面的第一根管下部彎頭內(nèi)積水未完全蒸發(fā)，使蒸汽流通受阻，管壁冷卻不充分，導(dǎo)致二級(jí)過熱管壁超溫導(dǎo)致脹粗，最終導(dǎo)致短期過熱爆管。

4 建議

1)加強(qiáng)停爐過程管理，當(dāng)鍋爐停止運(yùn)行后，應(yīng)進(jìn)行鍋爐排汽及疏放水，并利用停爐后預(yù)熱烘干受熱面管內(nèi)積水。

2)加強(qiáng)運(yùn)行管理，嚴(yán)格按規(guī)程規(guī)定啟動(dòng)方式及啟動(dòng)曲線進(jìn)行，防止升溫升壓速度過快;加強(qiáng)減溫水系統(tǒng)運(yùn)行管理，防止過早使用減溫水，并監(jiān)視減溫水流量，防止減溫水流量超標(biāo)。

3)在鍋爐啟動(dòng)初期，可采用對(duì)空排汽或開大旁路閥門的方式，加大過熱器進(jìn)、出口壓差，使過熱器管內(nèi)蒸汽流量增加，將水塞排出;或延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，使?fàn)t膛內(nèi)熱負(fù)荷分布均勻，在低負(fù)荷及材料允許溫度狀態(tài)下，盡可能使過熱器內(nèi)積水蒸發(fā)完全，以防止積水造成過熱器管內(nèi)形成水塞。

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