600 MW超臨界機(jī)組鍋爐水冷壁管損壞原因分析及對(duì)策

陳永生

摘 要：文章闡述了某電廠600 MW機(jī)組鍋爐水冷壁典型故障、發(fā)生部位，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出相應(yīng)的防范措施，為防止鍋爐水冷壁管爆漏事件的發(fā)生，消除引起爆管的不良因素，提供了行之有效的方法。

關(guān)鍵詞：水冷壁；螺旋段；吹損；磨損；鼓包；裂紋

中圖分類號(hào)：TK223.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）27-0084-02

1 設(shè)備概況

某電廠一期工程裝機(jī)容量2×600 MW，鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界直流爐，水冷壁標(biāo)高8 300～49 670 mm，采用螺旋管圈，上方為垂直管圈，高度約為23 m，過渡采用中間混合集箱，后墻水冷壁通過56根φ57.2 mm的光管作為懸吊管，支撐后墻的全部重量。

兩臺(tái)爐投產(chǎn)運(yùn)行兩年以來，鍋爐水冷壁缺陷及泄漏多，造成停爐處理1次，具體情況，見表1。

2 水冷壁管缺陷及泄漏分析

2.1 后墻中間集箱出口垂直段水冷壁管焊縫裂紋

#1爐整啟期間，泄漏主要為背火側(cè)橫向裂紋，168過后停爐消缺結(jié)束水壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)泄漏主要為向火側(cè)縱向裂紋，裂紋均是從鰭片處開始沿熔合線或焊縫金屬擴(kuò)展，裂紋萌生于內(nèi)壁焊縫根部的熔合線處，并自內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展直至穿透整根管子。

水壓試驗(yàn)中泄漏的焊縫剖開檢查，焊縫根部寬度和凸出高度較大，個(gè)別錯(cuò)口量較大，可能管子焊接時(shí)間隙較大，或存在強(qiáng)力對(duì)口，打底時(shí)焊接速度下降，焊絲停留時(shí)間延長(zhǎng)，熔池金屬溫度升高，出現(xiàn)淬硬性組織和產(chǎn)生局部應(yīng)力升高現(xiàn)象。

金相試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫裂紋附近出現(xiàn)貝氏體+馬氏體組織，也說明焊接過程中熔池金屬溫度較高，且焊后冷卻速度較快，焊縫出現(xiàn)淬硬性組織，硬度值明顯偏高。

從結(jié)構(gòu)上看，后墻中間集箱出口垂直段水冷壁高度僅1 009 mm，上部為折焰角，受爐膛負(fù)壓、溫度波動(dòng)等影響大，焊縫處鰭片密封焊道大且厚，導(dǎo)致焊縫處壁溫升高，冷卻時(shí)收縮應(yīng)力增大，另在不同工況下此處壁溫波動(dòng)大，交變熱載荷導(dǎo)致焊縫承受熱疲勞作用，同時(shí)固定水冷壁鰭片的拉筋拘束了水冷壁管自由膨脹，致使應(yīng)力增大，螺旋段水冷壁管重量通過張力板傳遞使復(fù)合應(yīng)力進(jìn)一步增大，更易在薄弱位置萌生疲勞裂紋。

2.2 垂簾管爆破

#1爐垂簾管爆漏處張口較大，邊緣明顯減薄，最薄處厚度約1 mm。爆口附近較長(zhǎng)范圍內(nèi)管子明顯脹粗，氧化皮厚約0.2 mm且表面有許多平行的縱向開裂，管子具有短時(shí)過熱爆管特征。

管子理化試驗(yàn)分析正常，爆口邊緣的金相組織變形明顯拉長(zhǎng)，珠光體球化3級(jí)，爆口末端2級(jí)，表明管子發(fā)生過熱的時(shí)間不長(zhǎng)，過熱的溫度較高。

爆口最大處有一塊缺口，缺口處斷口表面呈脆性特征，斷口邊緣有一處分層，且有一條長(zhǎng)約10 mm層間裂紋自分層處沿周向擴(kuò)展，同時(shí)，在爆口末端也有一處周向裂紋，爆口處存在制造缺陷。

同時(shí)，管子壁厚存在不均勻現(xiàn)象，在距離爆口約300 mm處測(cè)量管子壁厚，爆口側(cè)為5.0 mm，另一側(cè)為6.0 mm。

結(jié)構(gòu)上分析，后墻上部水冷壁管束長(zhǎng)，折焰角處彎頭多，水阻大，流量容易分配不均，易超溫變形，特別是30%MCR負(fù)荷干濕轉(zhuǎn)換以及在相當(dāng)于此負(fù)荷下保持運(yùn)行時(shí)，溫差更大，而扭曲變形造成水阻和對(duì)流傳熱進(jìn)一步加大。

2.3 底部水冷壁管彎頭內(nèi)弧側(cè)裂紋

#1爐水壓試驗(yàn)后放水過程中底部集箱出口水平段往螺旋段水冷壁彎頭泄漏，從外觀看泄漏點(diǎn)位于彎頭內(nèi)弧側(cè)鰭片角焊縫邊緣，有3 條裂紋，開口狹小，走向與鰭片焊縫一致，管子具有熱疲勞損傷特征。

管子內(nèi)壁無(wú)明顯結(jié)垢和局部腐蝕，化學(xué)成分分析與拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果均符合要求，金相組織與遠(yuǎn)離裂紋處的基本一致，珠光體無(wú)明顯球化。

金相觀察管子上的裂紋起始于外壁鰭片角焊縫的熔合線處，擴(kuò)展過程中出現(xiàn)多條分支裂紋，結(jié)構(gòu)上分析，該管子鰭片分別與前墻、左墻水冷壁連接，當(dāng)兩墻熱脹冷縮不一致或局部受阻時(shí)，拐角連接處易受到拉應(yīng)力作用開裂，同時(shí)機(jī)組啟?；驕囟燃弊冎谐惺芙蛔儫釕?yīng)力作用，而鰭片角焊縫熔合線處于結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中部位，也是材質(zhì)的薄弱部位，因此首先在該部位萌生裂紋源，熱應(yīng)力交變過程中裂紋沿著與主應(yīng)力垂直的方向緩慢擴(kuò)展，經(jīng)多次熱循環(huán)，裂紋擴(kuò)展最終穿透管壁。

2.4 吹灰器吹損

#1、2爐水冷壁管吹損部位基本集中在吹灰器右下角，應(yīng)跟起吹角度自投產(chǎn)來未調(diào)整過有直接關(guān)系，同時(shí)部分噴嘴中心距水冷壁向火面距離過小，加劇了吹損。

對(duì)蒸汽、疏水管道檢查發(fā)現(xiàn)，部分管段坡度不足，管路系統(tǒng)存在焊渣、鐵銹等雜物。

從運(yùn)行方式看，自投產(chǎn)來，壓力設(shè)定偏高，投運(yùn)也過于頻繁，疏水時(shí)間不足，程序不合理。

2.5 磨 損

部分燃燒器、風(fēng)門和SOFA輔助風(fēng)門擺角偏差大，部分燃燒器擺角執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡澀，火焰偏斜，各看火孔處耐火澆筑料脫落較嚴(yán)重，也存在變形無(wú)法關(guān)嚴(yán)現(xiàn)象。

2.6 鼓 包

#1、2爐水冷壁管鼓包數(shù)量都有上百根，分布廣，無(wú)規(guī)律性，但同一部位的鼓包則呈現(xiàn)規(guī)律性，沿一直線方向，#1爐只在螺旋段存在，#2爐在前墻垂直段也有。

金相組織分析，#1爐金相組織無(wú)變化，#2爐兩根受檢水冷壁管鼓包處的金相組織晶粒度明顯較細(xì)，部分珠光體形態(tài)呈細(xì)小集群分布，表明該部位的材料曾經(jīng)受過高溫（大于723 ℃）作用，導(dǎo)致組織發(fā)生不完全相變。

拉伸試驗(yàn)分析，#1爐的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合ASME技術(shù)要求，#2爐的1根中有2段（共4段）抗拉強(qiáng)度略低于ASME技術(shù)要求，下屈服強(qiáng)度也接近技術(shù)要求。

3 水冷壁管泄漏預(yù)防

3.1 后墻中間集箱出口垂直段水冷壁管安裝焊縫裂紋

①焊接時(shí)采取了嚴(yán)密的擋風(fēng)措施。②修訂了焊接工藝卡，制定了相應(yīng)的焊接熱處理工藝卡。③熱處理結(jié)束后對(duì)焊縫及母材進(jìn)行硬度檢查。④新?lián)Q管子間的密封不進(jìn)行焊接，對(duì)已有的密封每間隔3根切開，在爐外制作密封盒內(nèi)填保溫材料。⑤按曲線控制啟停爐速度，減緩運(yùn)行中增減負(fù)荷速度。

3.2 垂簾管爆破

①對(duì)爆破管、吹損變形或減薄管進(jìn)行更換。②每次停爐時(shí)對(duì)垂簾管扭曲變形進(jìn)行檢查處理。③規(guī)范受監(jiān)材料出入庫(kù)管理，修訂相關(guān)規(guī)章制度。④垂簾管壁厚進(jìn)行抽檢，如存有壁厚明顯不均的進(jìn)行換管。⑤對(duì)進(jìn)口集箱內(nèi)部進(jìn)行檢查，并檢查彎頭和焊口是否存在節(jié)流現(xiàn)象。⑥機(jī)組正常啟停中，避免在轉(zhuǎn)態(tài)范圍內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)或負(fù)荷在此區(qū)間波動(dòng)。⑦加強(qiáng)對(duì)溫度偏差的監(jiān)控，及時(shí)進(jìn)行分析和調(diào)整。

3.3 底部水冷壁管彎頭內(nèi)弧側(cè)裂紋

①泄漏管進(jìn)行更換。②割開鰭片消除應(yīng)力。③對(duì)泄漏部位附近檢查是否存在結(jié)構(gòu)上的異?；蛎浛s受阻現(xiàn)象。④大、小修時(shí)對(duì)#1、2爐同類型結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行擴(kuò)大檢查，查看是否有裂紋存在。

3.4 吹灰器吹損

①對(duì)管壁吹損量大于15%的水冷壁管進(jìn)行更換，#1爐14根、#2爐143根，吹灰器處1.5 m范圍內(nèi)進(jìn)行超音速電弧噴涂。②對(duì)吹灰器垂直度進(jìn)行調(diào)整，并在爐墻內(nèi)部重新加填耐火可塑料。③對(duì)吹灰蒸汽、疏水管路進(jìn)行坡度整改和吹掃。④逐步降低吹灰的壓力。⑤調(diào)整起吹角度，每個(gè)季度進(jìn)行一次。⑥調(diào)整噴口伸入距離。⑦進(jìn)行編組和程序優(yōu)化，減少吹灰的頻次。

3.5 磨 損

①對(duì)磨損量大于15%的3根水冷壁管進(jìn)行更換。②對(duì)看火孔處澆筑料進(jìn)行修復(fù)，變形或損壞的看火孔門進(jìn)行更換。③機(jī)組檢修時(shí)，運(yùn)行人員參與燃燒器調(diào)試及驗(yàn)收。④定期進(jìn)行一、二次風(fēng)標(biāo)定和一次風(fēng)調(diào)平工作。

3.6 鼓 包

①加強(qiáng)燃燒調(diào)整，避免火焰中心偏移和火焰刷墻。②加強(qiáng)運(yùn)行中壁溫、水質(zhì)等監(jiān)控工作，及時(shí)調(diào)整煤水比，及時(shí)進(jìn)行凝汽器查漏等消缺工作。③做好垢樣、鼓包的跟蹤記錄與分析，并跟蹤割管分析管材的金相組織及機(jī)械性能，及時(shí)安排酸洗工作，必要時(shí)進(jìn)行換管。

4 結(jié) 語(yǔ)

造成超臨界機(jī)組鍋爐水冷壁泄漏的原因很多，上述缺陷和泄漏只是某電廠鍋爐運(yùn)行初期出現(xiàn)的主要情況，隨著水冷壁管的長(zhǎng)期運(yùn)行，必有新的損傷或隱患發(fā)生，在損傷或隱患發(fā)展到爆管泄漏以前及時(shí)發(fā)現(xiàn)，以及如何有效消除隱患和引起損傷的因素關(guān)鍵，也是一項(xiàng)長(zhǎng)期、細(xì)致的工作，只在通過不斷的摸索，齊心協(xié)力做好各個(gè)環(huán)節(jié)工作，才能保證水冷壁管的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

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