600 MW亞臨界鍋爐后屏水塞爆管原因分析及措施

劉紅欣，賈志軍

（1.北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100022；2.內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 豐鎮(zhèn) 012100）

0 引言

隨著碳中和、碳達(dá)峰戰(zhàn)略目標(biāo)的深度實施，火電的運行模式愈發(fā)偏離傳統(tǒng)承擔(dān)基本負(fù)荷的運行方式，越來越多地承擔(dān)了調(diào)峰功能。為實現(xiàn)新能源消納最大化，深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰成為火電機(jī)組日常生產(chǎn)的常態(tài)，在此期間較大地偏離了火電原來的安全運行區(qū)間。在機(jī)組深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰的時候，鍋爐壁溫控制成為了難點，因鍋爐燃燒、磨煤機(jī)組合方式和運行人員技術(shù)水平等原因造成汽溫波動頻發(fā)和波動大的特點，使得鍋爐受熱面因交變應(yīng)力、蠕變等原因造成管材提前失效。本文對一起深度調(diào)峰造成的后屏過熱器焊口開裂事故和機(jī)組啟動過程中后屏過熱器發(fā)生水塞導(dǎo)致超溫爆管的案例進(jìn)行了分析，找出了原因并制定了相關(guān)措施。

1 設(shè)備介紹及泄漏點情況

爆管鍋爐的型號為SG2059-17.5-M915，是控制循環(huán)、四角切向燃燒、一次中間再熱、固態(tài)排渣的π型汽包爐。鍋爐過熱器系統(tǒng)包括的5級過熱器如圖1所示。后屏過熱器布置在分隔屏之后，共25屏，每屏由20根并聯(lián)套管組成，最外圈管子外徑60 mm，其余內(nèi)圈管子外徑均為54 mm，橫向節(jié)距762 mm，材料除最外圈底部及最內(nèi)圈繞管底部用不銹鋼SA-213 TP347H（FG）外，其余為15CrMoG、12Cr1MoVG、SA-213T91合金鋼[1-3]。為提高后屏過熱器自夾屏底彎安全裕度，先將原后屏過熱器自夾屏底彎管材由TP347H更換為TP347HFG，然后將彎曲半徑由163 mm調(diào)整為185 mm，泄漏管規(guī)格為d54 mm×8 mm。

圖1 鍋爐本體剖面圖

2 焊口開裂爆管原因分析

2.1 焊口開裂爆管情況

第一次爆管發(fā)生在后屏過熱器第23屏第20、第21根管，其中第21根管異種鋼（TP347HFG+12Cr1MoVG）焊口開裂約4/5周，泄漏管上下方進(jìn)行脹粗測量，數(shù)據(jù)均在54.1 mm以內(nèi)，最大脹粗率0.17%，第22排、24排管有明顯沖刷減薄形貌，對減薄管道測厚，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 后屏過熱器第22、24排管蒸汽沖刷減薄測試數(shù)據(jù)

自夾屏底彎整體取下后檢查，U型彎底部未見氧化皮沉積或有其他異物存在，失效焊口剖開后發(fā)現(xiàn)，焊層較厚。對失效管件進(jìn)行光譜驗證，12Cr1MoVG管各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Cr1.1%、Mo0.3%、V0.2%，TP347HFG管各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Cr17.7%、Ni10.9%、Nb0.33%，排除錯用管材問題。對焊縫金屬進(jìn)行光譜驗證，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Ni大于60%、Cr14.67%、Fe17.62%，焊接材料使用合規(guī)，且原始光譜驗證報告合格，原始底片（橢圓成像法，單次透照）未有缺陷顯示。

剖開失效管后發(fā)現(xiàn)，TP347HFG側(cè)內(nèi)壁比較光滑，12Cr1MoVG側(cè)內(nèi)壁則有局部輕微氧化皮脫落，未見腐蝕坑、腐蝕孔出現(xiàn)，運行中汽水品質(zhì)無異常工況發(fā)生，各項指標(biāo)控制優(yōu)良[4]。

2.2 首次爆管原因分析

首爆口沿異種鋼接頭12Cr1MoVG側(cè)熔合線分布，由于Ni基焊縫金屬與12Cr1MoVG材料的合金元素含量相差懸殊，在二者熔合線處形成了富C的脆性弱化區(qū)，導(dǎo)致焊口失效。同時，位于管子焊縫根部及外壁的焊縫熔合區(qū)域由于焊縫余高的存在形成了變截面的應(yīng)力集中，運行過程中由于深度調(diào)峰負(fù)荷變化區(qū)間較大，管道承受較大的交變應(yīng)力，使得焊口熔合線附近承受低周疲勞載荷作用。

對爆口焊縫進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)其填充層大于2.5 mm（焊絲直徑），根據(jù)《火電廠焊接技術(shù)規(guī)程（DL/T 869—2012）》中對奧氏體不銹鋼及鎳基合金焊接“應(yīng)采取小線能量焊接，層間厚度不宜大于焊條（絲）直徑”的相關(guān)要求，判斷爆管原因為焊接質(zhì)量存在問題。

3 水塞爆管分析

第二次爆管為第一次爆管修復(fù)后機(jī)組啟動期間，因后屏過熱器積水造成短期超溫導(dǎo)致后屏過熱器第22屏的第22和24根管爆管。

3.1 爆口宏觀形貌及分析

對爆漏的后屏過熱器爐管進(jìn)行宏觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)第22屏第17~24根管煙氣來向的進(jìn)汽管束有不同程度的變形和脹粗現(xiàn)象，第22屏第22根爐管沿卡塊部位爆漏開裂。第22屏第24根爐管在爆管后發(fā)生了較大的塑性變形導(dǎo)致其扭成麻花狀。2根管樣爆口均具有延性斷裂的特征，爆口開口較大，邊緣鋒利，爐管管徑有明顯脹粗，管壁厚度明顯減薄，爆口內(nèi)外表面比較光滑，附近無縱向裂紋，具有典型的短時過熱爆管特征。

第22屏17~24管煙氣來向的進(jìn)汽管束有不同程度的變形和脹粗現(xiàn)象，并伴有縱向裂紋，而蒸汽出口段未發(fā)現(xiàn)脹粗現(xiàn)象。

對后屏過熱器第7、21、20屏的第2彎，第12、24屏的第23彎等彎管進(jìn)行了射線透照抽查，未發(fā)現(xiàn)異物及氧化皮沉積現(xiàn)象。

3.2 顯微組織觀察分析

對爆漏的爐管取樣進(jìn)行顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)2根管樣爆口對側(cè)金相組織均為鐵素體+貝氏體，球化級別為2.0級，屬于輕度球化，組織未見明顯變形[5-6]。2根管樣爆口尖端微觀組織均出現(xiàn)明顯畸變，沿變形方向被拉長，爆口附近區(qū)域因短時過熱管壁溫度急劇升高，爆管時管內(nèi)介質(zhì)對高溫管壁冷卻效果不足，爐管發(fā)生不完全相變，生成不完全相變組織，如圖2—圖5所示。屏過熱器爐管化學(xué)成分符合要求，排除錯用材質(zhì)導(dǎo)致爆管。后屏過熱器爐管各項常溫力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。后屏過熱器第22屏第22根爐管沿卡塊部位爆漏開裂，第22屏第24根爐管在爆管后發(fā)生了較大的塑性變形導(dǎo)致其扭成麻花狀。2根管樣爆口均具有延性斷裂的特征，爆口開口較大，邊緣鋒利，爐管管徑有明顯脹粗，管壁厚度明顯減薄，爆口內(nèi)外表面比較光滑，附近無縱向裂紋，具有典型的短時過熱爆管特征。

圖2 第22根爐管爆口對側(cè)微觀組織形貌

圖3 第22根爐管爆口尖端微觀組織形貌

圖4 第24根爐管爆口對側(cè)微觀組織形貌

圖5 第24根爐管爆口尖端微觀組織形貌

綜上，第二次爆漏的2根管子是因為短時過熱，導(dǎo)致材料強度明顯下降，爐管在內(nèi)部高溫介質(zhì)壓力作用下發(fā)生塑性變形，管徑脹粗，管壁減薄，最終爆破泄漏。其中，后屏過熱器第22屏第22根爐管，因外壁卡塊部位存在應(yīng)力集中，管子脹粗時沿此處撕裂爆漏，破口較大。

3.3 后屏爐管短期超溫原因分析

鍋爐啟動過程中當(dāng)屏底煙溫大于對應(yīng)管壁極限溫度且管束內(nèi)蒸汽流量不足，不能滿足受熱面冷卻需求時，就會發(fā)生短期超溫爆管。蒸汽流量不足的主要原因，一是檢修遺留物或其他異物堵塞管道，二是受熱面水塞堵塞管道[7-9]。

3.4 短期超溫爆管原因分析

機(jī)組啟動過程中存在以下3個異?，F(xiàn)象[10]，一是鍋爐汽包壓力和過熱器壓力升高不同步，過熱蒸汽壓力較汽包壓力先行升高，正常情況下是水冷壁內(nèi)爐水受熱汽化，汽包壓力升高，隨著進(jìn)入過熱器的蒸汽增多而使過熱器系統(tǒng)壓力增加；二是鍋爐汽包壓力和爐水溫度不匹配，爐水溫度未達(dá)到飽和溫度汽包就已經(jīng)開始升壓；三是升溫升壓過程中減溫水無變化的情況下后屏過熱器出口汽溫有突降現(xiàn)象，以上現(xiàn)象均說明后屏過熱系統(tǒng)內(nèi)存在積水。

綜合分析認(rèn)為，后屏過熱器第22屏第17~24

管蒸汽上升段可能有積水，造成其煙氣來向的管束蒸汽流動停滯，造成局部超溫從而爆管。

3.5 水塞形成原因分析

第一次鍋爐后屏過熱器爆管緊急停爐后鍋爐帶壓放水控制參數(shù)控制不合理，汽包壓力0.3 MPa放水，規(guī)程要求汽包壓力0.8 MPa放水，鍋爐余熱不能將受熱面有效烘干，造成受熱面積水。

另外，機(jī)組啟動過程中，一級過熱器減溫水控制不合理，使得后屏出口汽溫達(dá)到飽和溫度，造成后屏過熱器積水增多。

3.6 爐內(nèi)空氣動力場不均衡

由于低負(fù)荷期間爐內(nèi)空氣動力場不平衡，甲側(cè)煙氣流量小、煙溫低，啟動初期加熱效果差，受熱面內(nèi)積水不能完全汽化，隨著D磨煤機(jī)啟動后，爐內(nèi)溫度場變化，造成甲側(cè)溫度由510℃急劇升高至630℃，達(dá)到鍋爐受熱面12Cr1MoVG的極限溫度，加之第22屏只有第4根管有壁溫監(jiān)測點，所以無法及時檢測壁溫變化，導(dǎo)致后屏受熱面短期超溫爆管。

4 結(jié)論及措施

a）機(jī)組啟動嚴(yán)格控制鍋爐燃燒率，通過控制燃燒控制爐膛出口煙溫，從而控制受熱面壁溫，在機(jī)組并網(wǎng)前嚴(yán)禁噴水降溫。

b）機(jī)組啟動過程中嚴(yán)密監(jiān)視汽包壓力和過熱器壓力關(guān)系，密切監(jiān)視過熱蒸汽溫度是否有突降現(xiàn)象，判斷受熱面是否積水，若有采用突開旁路的方法利用差壓將受熱面積水帶走。

c）優(yōu)化受熱面溫度測點布置，消除易超溫部位的監(jiān)測盲點。

d）優(yōu)化空氣動力場，爐內(nèi)煤粉著火充分，煙氣流動均勻，減少受熱面熱偏差。

e）鍋爐停爐后要嚴(yán)格執(zhí)行鍋爐熱爐帶壓放水規(guī)定。

f）加大異種鋼焊口的排查比例，并對奧氏體異種鋼焊縫每年進(jìn)行割管檢驗，對奧氏體異種鋼焊縫的監(jiān)督檢驗時間提前。