超臨界鍋爐右包墻過熱器爆管原因分析及預防措施

蘇永健，關鑫源

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責任公司，寧夏 銀川 750400）

超臨界鍋爐右包墻過熱器爆管原因分析及預防措施

蘇永健，關鑫源

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責任公司，寧夏 銀川 750400）

火力發(fā)電廠鍋爐受熱面四管泄漏防范對機組安全穩(wěn)定運行至關重要，四管泄漏涉及鍋爐、金屬、化學等多個專業(yè)，與運行人員操作水平和檢修質量等密切相關。根據(jù)鍋爐包墻過熱器爆管，從機組運行前后參數(shù)和檢查情況，對可能導致爆管的原因進行逐一分析，得出了爆管的直接原因。根據(jù)機組目前運行存在的問題，提出和制定了相應的預防措施，對同類型超臨界鍋爐安全穩(wěn)定運行有一定參考價值。

鍋爐；包墻過熱器；爆管；熱應力

0 引言

某廠2×660 MW HG-2210/25.4-YM16型鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主開發(fā)制造的燃煤超臨界660 MW鍋爐。為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴容式啟動系統(tǒng)的直流鍋爐，π型布置，單爐膛，尾部雙煙道，全鋼架，懸吊結構，鍋爐主要參數(shù)見表1。采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺ZGM113G-Ⅱ型磨煤機，5運1備；煤粉細度R90=18%。鍋爐采用墻式切圓燃燒方式，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，每層4只對應1臺磨煤機。SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方的水冷壁的四角，以實現(xiàn)分級燃燒降低NOx排放。

2016年 7月 21日，7∶10分 2號機組負荷620 MW，機組補水率由1.1%上漲至1.97%，凝結水補水調門全開，補水量快速增加至最大值71 t/h，鍋爐水平煙道右側末再入口煙溫明顯降低，右側低再入口煙溫降低，就地有明顯異音，判斷鍋爐泄漏，立即申請緊急停爐。

1 2號鍋爐爆管檢查情況

7月27日18時，在爐內溫度和腳手架均具備條件后，入爐檢查發(fā)現(xiàn)右包墻過熱器的第1根管在頂棚過熱器下部450 mm處靠爐前鰭片根部管失效，縱向開裂（裂透）約5 mm，吹漏與之相鄰的前包墻右數(shù)第1根管，后繼吹漏附近的水冷壁折焰角拉稀管及前包墻管5根。

7月28日，對爆管部位及附近管排進行詳細檢查，檢查發(fā)現(xiàn)爆管吹損周圍的頂棚過熱器、右包墻過熱器、前包墻過熱器、折焰角拉稀管、水冷壁延伸側墻管達到換管標準的共24根。

2 包墻過熱器爆管原因分析

2.1 系統(tǒng)及設計參數(shù)

前包墻右側的邊管屬于包墻過熱器系統(tǒng)，上部與頂棚管出口集箱相連，下部與前包墻下集箱相連，這根管所處的位置屬于水冷壁系統(tǒng)和右包墻系統(tǒng)的分界位置。前包墻右側的邊管與水冷壁延伸側墻管內的介質不同，與右包墻管內介質相同。前包墻右側邊管管內介質流向為自上而下，兩側右包墻過熱器和水冷壁延伸側墻管內介質流向為自下而上。

查閱熱力計算結果，該部位各煙氣和管內工質出入口溫度均可滿足在各個負荷下系統(tǒng)運行要求。

表1 鍋爐主要設計參數(shù)（g為表壓力）

2.2 安裝焊接工藝及質量

從設計圖紙要求的焊接工藝來看：要求在現(xiàn)場進行焊接時鰭片部位角焊縫在全長度上連續(xù)焊好焊透，焊角K值為5 mm?，F(xiàn)場檢查均滿足焊接工藝要求，未發(fā)現(xiàn)咬邊現(xiàn)象。該部位受熱面管對接焊口均采用全氬焊接，焊口100%射線探傷，管道對接焊口中心線距離管道彎曲起點大于管道外徑，且大于100 mm，該部位安裝時為散管，不存在強力對口，焊接工藝及質量均符合要求。

2.3 材料機械性能和金相組織分析

2016年8月2日對2號鍋爐右包墻過熱器爆管外送進行機械性能試驗和金相檢驗，檢驗結果如表2。

表2 拉伸試驗檢測數(shù)據(jù)

從檢驗結果可以看出：送檢樣品的下屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均在GB5310—2008規(guī)定的范圍內。在金相顯微鏡500×的倍率下，送檢樣管呈珠光體加鐵素體，球化級別為：Ⅰ級未球化，檢驗結果均滿足GB5310—2008和DL/T787—2001中相關規(guī)定。

2.4 運行參數(shù)分析

按照電網(wǎng)兩個細則要求，機組正常運行中必須投入AGC模式。AGC模式下，機組變負荷率在10~12 MW/min運行，機組升降負荷速率較快，鍋爐運行調整頻繁，在升降負荷過程中造成鍋爐運行參數(shù)如主汽壓力、溫度等都會發(fā)生波動。

查閱2號鍋爐歷次啟停機和正常運行過程中機組負荷、過熱器壁溫、主汽壓力、溫度變化曲線，機組負荷變化過程中，過熱器壁溫的變化較平緩，壁溫變化速率在3℃/min范圍內，主汽溫度、壓力變化平穩(wěn)。

2.5 爆管部位設計結構及膨脹分析

爆管部位從爐前至爐后具體設計為水冷壁右側延伸側包墻、后煙道前包墻邊管、后煙道右側包墻。規(guī)格材質為：水冷壁右側延伸側包墻，φ44.5×7 mm，15CrMoG；后煙道前包墻邊管，φ44.5×7 mm，15CrMoG；后煙道右側包墻；φ63.5×10 mm，15CrMoG。3根管之間用δ=6 mm，15CrMoG鋼板焊接密封連接。前包墻管（除左右側第1根） 在水平煙道上部2根1組并列拉稀形成煙氣通道，水平煙道下部管段共173根由δ=6 mm，15CrMoG鰭片焊接成一整片，2管中心距110 mm；而左右側第1根管子在水平煙道上部管段向兩側包墻彎曲，并變徑至與側包墻和側墻水冷壁管徑相同，以保持結構平齊，且與側包墻管由鰭片焊接成一整片，下部管段與其他管子焊接成一整體。頂棚管出口集箱長19.489 m，左右包墻第1根和水冷壁延伸側包墻3根管讓位后該集箱穿過左右包墻，集箱兩頭焊接加強護板并焊接鰭片與包墻形成一體（圖1）。

圖1 水冷壁延伸側包墻及底包墻總圖（mm）

鍋爐本體采用全懸吊結構，使鍋爐本體的每個部分能夠比較充分的熱膨脹，大大地減少了由于熱膨脹受阻而產(chǎn)生的熱應力。鍋爐的自然熱膨脹中心除了與鍋爐的幾何尺寸有關之外，還與溫度的分布有關。而鍋爐在啟動低負荷、滿負荷和停爐工況下溫度的分布是不一樣的。因此，鍋爐的自然熱膨脹中心是隨著工況的變化而變化的。

爐膛前、后墻及后煙道前、后墻的膨脹中心設置在鍋爐對稱中心線；螺旋水冷壁側墻膨脹中心設置在距爐膛后墻中心線1 300 mm處，垂直管屏水冷壁側墻的膨脹中心設置在距爐膛后墻中心線1 300 mm處。

a）鍋爐啟停或升降負荷過程中升、降溫速度過快，即瞬間煤水比過大，導致在介質流量增加與爐膛熱輸入的增加不匹配，又因為頂棚管出口集箱一半在爐內，受到煙氣的加熱，升降溫速度快，在鍋爐升降溫速度過快的情況下，導致頂棚管出口墻集箱向爐兩側的膨脹量在短時間內比水冷壁延伸側包墻的大很多，水冷壁延伸管屏又帶著后煙道側包墻一起膨脹，從而導致集箱與水冷壁延伸側包墻、后煙道側包墻連接的區(qū)域脹差很大[1]。

b）后煙道前包墻邊管和與其相連的水冷壁延伸側墻中的介質不同，分屬于兩個系統(tǒng)，流動方向也不同。在鍋爐啟動初期，水冷壁延伸側墻管內充滿水，管子壁溫較低，而前包墻這邊管介質量較少，壁溫較高。后煙道前包墻邊管和水冷壁延伸側墻管兩者溫差較大，導致上下及前后方向膨脹不同步[2]，后煙道前包墻邊管為直管段結構不能吸收膨脹不同步產(chǎn)生的脹差。

2.6 爆管部位應力分析

爆管區(qū)域頂棚管出口集箱、后煙道前包墻、后煙道右包墻、水冷壁延伸墻在此集中，結構復雜。其中頂棚管出口集箱、后煙道前包墻、后煙道右包墻屬于過熱器系統(tǒng)，水冷壁延伸側墻屬于水冷壁系統(tǒng)，分屬2個不同的系統(tǒng)。水冷壁系統(tǒng)先有介質，過熱器系統(tǒng)后有介質，所以包墻過熱器系統(tǒng)受熱膨脹要快一些，在機組啟停及機組升降負荷變工況過程中，隨著溫度的升降變化，兩個系統(tǒng)就會產(chǎn)生脹差，隨之產(chǎn)生過大的熱應力，熱應力隨著機組升降負荷工況變化而頻繁變化。若升溫或降溫速度過快，2個系統(tǒng)的脹差就會很大，就會產(chǎn)生過大的熱應力。右包墻與前包墻右側第1根管上部管段和水冷壁延伸側包墻由鰭片連接成一體，各管及集箱沿各個方向整體膨脹或收縮過程中因脹差產(chǎn)生的應力無法有效釋放，導致在右包墻第1根管鰭片根部應力集中[3]。

通過以上分析可知此次爆管原因為：右包墻、水冷壁延伸側墻、前包墻和頂棚出口集箱在機組啟動和運行過程中因受熱不均勻，導致各方向膨脹不同步且膨脹量也不同。前包墻邊管設計為直管與右包墻右側第1根管由鰭片連接成一體，結構設計不合理，局部膨脹受阻。右包墻第1根在讓位管彎管段受膨脹或收縮形成外力，導致該部位受力大增，系統(tǒng)受熱膨脹產(chǎn)生的熱應力過大不能釋放，在應力集中、薄弱的位置管材受交變熱應力作用產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋延深至管子內壁后導致管子泄漏。

3 爆管部位處理情況

a）對此次泄漏、吹損的頂棚過熱器、右包墻過熱器、前包墻過熱器、水冷壁折煙角拉稀管、水冷壁延伸側墻管共24根管段已割除并更換新的管段。

b）結合哈爾濱鍋爐廠處理意見和現(xiàn)場實際情況，應該提高管子的柔性，提高其吸收脹差產(chǎn)生交變應力的能力，所以此次將后煙道前包墻邊管與頂棚出口集箱連接處更換為彎管。另外，裝配的新彎管不與相鄰管子連接到一起，與相鄰管子之間安裝的密封鋼板不與新彎管焊接，只與旁邊的鰭根焊接連接到一起，防止保溫材料脫落（見圖 2）。

圖2局部改造及密封板安裝圖

4 防范措施

a）對爐左相同部位進行擴大性檢查，對相同部位著色檢查發(fā)現(xiàn)鰭片根部有一處10 mm長淺表性裂紋，打磨至管壁后未發(fā)現(xiàn)裂紋。對爐左原前包墻邊管更換為帶彎頭管段。

b）為防止其他部位產(chǎn)生類似缺陷，對尾部煙道中間隔墻出口集箱出入口邊管進行著色探傷，對連接鰭片割止裂縫和止裂孔。

c）調研咨詢哈爾濱鍋爐廠及同類型投產(chǎn)鍋爐存在的問題，對需要進行局部改造的在后續(xù)檢修中進行整改，防止同類型問題的發(fā)生。

d）加強對尾部低溫過熱器、低溫再熱器、包墻過熱器等部位檢查的力度，對結構復雜和應力集中區(qū)域定期檢查，對發(fā)現(xiàn)問題部位進行擴大性檢查。

e） 制定切實可行的受熱面管金屬監(jiān)督計劃，在后續(xù)檢修中逐步安排實施。

f）查閱出廠圖紙，對設計和安裝結構進行對比分析，對存在問題積極聯(lián)系鍋爐廠協(xié)調解決。

g）做好燃燒調整工作，防止出現(xiàn)運行超溫和升降溫速率過快現(xiàn)象。

h）堅持“逢停必查”的原則，對投產(chǎn)至今爆管部位和缺陷較多部位重點檢查。加強防磨防爆人員隊伍建設，提高相關專業(yè)人員的防磨防爆技術水平。

i）按照“四不放過”原則，做好“四管”爆漏事故分析，對四管爆漏事故要如實記錄爆漏前的運行工況及處理措施。認真分析每一起“四管”爆漏事故，查明原因，明確責任，以便吸取教訓，采取相應的改進措施。

[1] 胡鋒濤，宋利，曹艷萍.1 950 t/h超臨界直流鍋爐側包墻過熱器泄漏原因分析 [J].電站系統(tǒng)工程，2011(5).27(3)：31-32.

[2] 黃文鋒.鍋爐水平煙道處包墻過熱器管開裂原因分析及改進[J].電力安全技術，2009(8)：39-40.

[3] 魏秉科.DG2070/17.5-Ⅱ6型鍋爐前包墻管泄漏故障分析[J].寧夏電力,2011(3)：32-34.

Cause Analysis and Preventive Measures of Tube Burst in Wall-enclosure Super-heater of Super Critical Boiler

SU Yongjian，GUAN Xinyuan
（Ningxia Jingneng Ningdong Electric Power Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750400,China）

To prevent leakage of four tubes in boiler's heating surface is of importance for the safety and stability of the unit in the thermal power plant.The leakage ofthe four tubes is closelyrelated tothe operation level and service quality ofthe personnel in the field of boiler,metal,chemistryand soon.In viewofa tube burst accident ofa wall-enclosure super-heater,each factor that maylead totube burst is analyzed,and the reason leading to the burst is finally identified.According to the problems existing in the operation of the unit,the corresponding preventive measures are put forward and developed,which could provide references for the safe and stable operation of the supercritical boiler ofthe same type.

boiler;wall-enclosure super-heater;tube burst;thermal stress;expansion

TK428

B

1671-0320（2017）05-0066-04

2017-07-02，

2017-07-22

蘇永?。?973），男，內蒙古鄂爾多斯人，2010年畢業(yè)于華北電力大學電氣工程專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電廠生產(chǎn)管理工作；關鑫源（1987），男，甘肅平?jīng)鋈耍?012年畢業(yè)于華北電力大學動力機械及工程專業(yè)，碩士，工程師，從事鍋爐設備檢修工作。