亞臨界機(jī)組末級過熱器氧化皮堆積爆管原因分析及預(yù)防

張 磊， 董衛(wèi)東， 丁士發(fā)

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240；2. 青銅峽鋁業(yè)發(fā)電有限公司， 寧夏青銅峽 751600)

為了滿足社會(huì)電力需求，我國能源行業(yè)不斷發(fā)展，火電機(jī)組從早期擔(dān)當(dāng)著提供電力負(fù)荷的重任，到現(xiàn)今調(diào)峰調(diào)頻配合新能源發(fā)電，隨著累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的不斷提升，機(jī)組長久運(yùn)行下來，對設(shè)備的安全性和可靠性挑戰(zhàn)越來越高，運(yùn)行控制也更加復(fù)雜。近年來，我國大型超臨界和超超臨界機(jī)組都或多或少存在高溫受熱面氧化皮堆積的問題，影響火電機(jī)組安全運(yùn)行。針對超臨界和超超臨界機(jī)組因?yàn)槭軣崦婀鼙跍囟雀呷菀桩a(chǎn)生氧化皮的研究有很多，劉定平[1]對超臨界機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行氧化皮生成和剝落進(jìn)行了機(jī)理和預(yù)防研究。吳學(xué)慶等[2-4]對600 MW超臨界機(jī)組氧化皮爆管進(jìn)行分析并提出預(yù)防建議。由于亞臨界機(jī)組參數(shù)不高，受熱面管壁溫度不高，氧化皮問題不明顯，在這方面的研究不多。但是隨著機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行，亞臨界機(jī)組也出現(xiàn)了氧化皮堆積的問題，末級過熱器尤為嚴(yán)重，甚至堵塞管排造成爆管，因此針對亞臨界機(jī)組末級過熱器氧化皮堆積爆管問題的分析刻不容緩。筆者針對某電廠330 MW亞臨界機(jī)組鍋爐末級過熱器發(fā)生多次爆管問題進(jìn)行了分析，并提出預(yù)防措施，以確保機(jī)組長期安全運(yùn)行。

1 爆管情況

該電廠2臺(tái)330 MW燃煤空冷機(jī)組鍋爐為1 170 t/h亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)鍋爐，四角切向燃燒方式、燃燒器擺動(dòng)調(diào)溫、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架的П形汽包爐，采用緊身封閉布置，配置5臺(tái)中速磨煤機(jī)。末級過熱器集箱材質(zhì)為12CrMo1V，順著煙氣流通方向管道材質(zhì)分別為T23和T91，規(guī)格為51 mm×7 mm。蒸汽由屏式過熱器出口集箱出來經(jīng)過過熱器二級減溫器連通到末級過熱器入口集箱。末級過熱器處于水平煙道后半段，主要以對流方式吸收煙氣熱量，單片管屏結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 末級過熱器單片管屏側(cè)面圖

2018年10月17日和11月11日相繼發(fā)生兩次爆管，爆管位置為末級過熱器中間第41、第42排管屏的2號(hào)和3號(hào)管道，爆口位置均正對集箱三通底部管排下U形彎處。

2018年10月17日，1號(hào)鍋爐末級過熱器(共81排)的低溫段第42排向火側(cè)第2根管(簡稱42-2管)彎頭處爆管泄漏，裂口長約50 mm、寬約2 mm，刺破第42排第1根管(簡稱42-1管)彎頭造成42-1管泄漏(見圖2)。

圖2 2018-10-17末級過熱器爆管形貌

后續(xù)割管檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生爆裂泄漏的42-2管內(nèi)堆積大量的氧化皮(見圖3)，已造成管道堵塞。

圖3 42-2管內(nèi)氧化皮堆積形貌

經(jīng)過緊急搶修換管再啟爐運(yùn)行，2018年11月11日，1號(hào)鍋爐末級過熱器中間第41排第3根管(簡稱41-3管)下彎頭向火側(cè)爆裂泄漏，裂口長約40 mm、寬約1 mm(見圖4)。后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)41-3管、41-2管(第41排第2根管)、42-2管中均存在大量氧化皮。

圖4 2018-11-11末級過熱器爆管形貌

氧化皮主要集中在兩個(gè)部位(見圖5)：第一個(gè)部位在正對末級過熱器進(jìn)口集箱三通的下部管屏(第41排管屏、第42排管屏)的2號(hào)管和3號(hào)管下U形彎處和出口集箱下S形彎處；第二個(gè)部位在正對末級過熱器出口集箱三通的下部管屏(第41排管屏、第42排管屏)的2號(hào)管下S形彎處。

圖5 第41、42排管屏氧化皮堆積示意圖

根據(jù)調(diào)查其他電廠同類SG-1165/17.5型鍋爐末級過熱器在長時(shí)間運(yùn)行后在中部管排相似位置均發(fā)生過類似氧化皮堆積爆管泄漏問題。

2 爆管原因分析

收集2018年10月、11月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對末級過熱器41-2管、41-3管、42-2管壁溫與其他管屏的壁溫、負(fù)荷、末級過熱器出口蒸汽溫度的曲線趨勢進(jìn)行對比， 41-2管、41-3管、42-2管壁溫與末級過熱器其他管屏的壁溫存在明顯差異，在機(jī)組運(yùn)行初期溫度就比其他管屏的壁溫高，在滿負(fù)荷時(shí)溫度普遍高20～30 K，且這3根管的壁溫變化與出口蒸汽溫度不相關(guān)，隨負(fù)荷變化而變化，說明鍋爐啟動(dòng)時(shí)末級過熱器中部管排中蒸汽量不大，氧化皮已造成堵塞。在2018年10月17日爆管后再次啟爐運(yùn)行，41-2管、41-3管、42-2管在滿負(fù)荷時(shí)溫度達(dá)到575 ℃左右。因末級過熱器的壁溫測點(diǎn)安裝在末級過熱器出口集箱下部1號(hào)管近集箱處，管排的其他部位的實(shí)際運(yùn)行壁溫可能比測量壁溫更高。末級過熱器泄漏部位組織老化嚴(yán)重，42-2管裂口區(qū)域金相等級為3級，41-3管裂口區(qū)域金相等級為4級，符合長期過熱的爆口特征。

內(nèi)窺鏡檢查末級過熱器進(jìn)口集箱、出口集箱以及部分割斷檢查的管排均發(fā)現(xiàn)大量氧化皮剝落的痕跡(見圖6)。

圖6 末級過熱器進(jìn)口集箱內(nèi)形貌

管排中氧化皮阻塞造成流通蒸汽減少，表現(xiàn)為管屏的壁溫與蒸汽溫度變化無關(guān)，只與煙氣側(cè)的變化有關(guān)。

圖7是從集散控制系統(tǒng)(DCS)中每隔2 min采集的停爐時(shí)末級過熱器部分管屏的壁溫與主蒸汽溫度變化關(guān)系，在爆管泄漏停爐過程中末級過熱器中部管屏42-2管壁溫與41-3管壁溫度不同于第7排第1根管(簡稱7-1管)壁溫的變化情況，7-1管中沒有堵塞，其壁溫與主蒸汽溫度變化情況一致，而中部管屏2號(hào)管和3號(hào)管因氧化皮堵塞，管內(nèi)蒸汽流量極小，壁溫變化只與鍋爐負(fù)荷情況有關(guān)，與主蒸汽溫度不相關(guān)。末級過熱器入口下U形彎長時(shí)間處在超溫的狀態(tài)，最后導(dǎo)致爆管。

圖7 停爐階段末級過熱器壁溫隨時(shí)間變化

3 氧化皮積聚原因分析

末級過熱器進(jìn)、出口集箱材質(zhì)為12CrMo1V，低溫段管道的材質(zhì)為T23，高溫段管道的材質(zhì)為T91，第41排管屏和第42排管屏割管倒出的氧化皮形狀見圖8。經(jīng)過能量色散譜儀分析，氧化皮平均成分中w(Al)=2.76%，根據(jù)文獻(xiàn)[5]與文獻(xiàn)[6]中對T23和T91氧化皮成分的分析，管內(nèi)堆積的氧化皮為T23氧化皮。長期超溫運(yùn)行會(huì)加速產(chǎn)生氧化皮，但是產(chǎn)生的氧化皮很少會(huì)積聚成塊，通常會(huì)隨同蒸汽進(jìn)入后部設(shè)備。

圖8 管排內(nèi)堆積的大量氧化皮形貌

末級過熱器中部管屏因?yàn)檠趸栴}造成蒸汽管道堵塞，蒸汽流量減少，管道長期超溫，最終導(dǎo)致蠕變爆管。氧化皮產(chǎn)生聚集的主要原因如下：

(1) 機(jī)組啟動(dòng)過程中，由于蒸汽流量小，投用減溫水控制汽溫，造成汽溫波動(dòng)大，引起管道內(nèi)部長期氧化皮脫落并逐步堆積。

(2) 鍋爐檢修后水壓試驗(yàn)時(shí)，水沒有排放干凈，啟動(dòng)時(shí)容易造成水塞，造成管壁溫度大幅波動(dòng)，導(dǎo)致氧化皮脫落。

(3) 在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)排氣疏水存在1 MPa左右負(fù)壓，末級過熱器低溫段各管道中T23產(chǎn)生的大量氧化皮帶入進(jìn)口集箱中，氧化皮在集箱中往三通入口處匯集，同時(shí)負(fù)壓不足以帶走氧化皮，入口集箱三通管正對著第41排、第42排處于低點(diǎn)的2號(hào)管和3號(hào)管，形成氧化皮沉積。同樣的，在出口集箱，2號(hào)管沿程阻力大，集箱出口處沉積的氧化皮落到大S形彎處與上升蒸汽形成動(dòng)態(tài)平衡，形成淤積(見圖9)。

圖9 進(jìn)口集箱氧化皮流向示意圖

4 預(yù)防及治理措施

(1) 鍋爐受熱面檢修時(shí)對末級過熱器中部管排加強(qiáng)檢查，及時(shí)清理產(chǎn)生的氧化皮，同時(shí)保證管排焊接質(zhì)量，做好探傷復(fù)查等工作，避免水壓試驗(yàn)時(shí)末級過熱器氧化皮剝落匯集到中部管排。

(2) 在機(jī)組啟動(dòng)初期不使用微油點(diǎn)火或者等離子點(diǎn)火，采用大油槍暖爐，燃燒優(yōu)質(zhì)煤種，控制燃燒量，使?fàn)t膛均勻受熱，避免煤粉劇烈燃燒造成煙氣溫度大幅波動(dòng)；同時(shí)，通過調(diào)整相關(guān)風(fēng)量，增加其他受熱面的吸熱量，減少屏式過熱器的吸熱量，控制過熱器二級減溫水投入量，盡可能不投入二級減溫水，避免減溫水造成蒸汽溫度低于飽和溫度，引起末級過熱器水塞。

(3) 在機(jī)組大修時(shí)，對末級過熱器T23材質(zhì)管排進(jìn)行更換，同時(shí)改造末級過熱器進(jìn)、出口集箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免氧化皮匯集到三通底部中部管排內(nèi)，同時(shí)調(diào)整中部管排出口集箱下部S形彎結(jié)構(gòu)，減少沿程阻力，避免氧化皮積聚。

5 結(jié)語

亞臨界機(jī)組鍋爐末級過熱器氧化皮生長堆積是一個(gè)復(fù)雜的過程，與受熱面的材料和結(jié)構(gòu)、機(jī)組的啟停方式、升降負(fù)荷情況、鍋爐燃燒狀況、運(yùn)行方式等都存在著關(guān)聯(lián)。與超(超)臨界機(jī)組不同，亞臨界機(jī)組管壁溫度相對較低，氧化皮產(chǎn)生情況與鍋爐啟停方式、減溫水投運(yùn)情況等關(guān)聯(lián)度更大，特殊的受熱面管排結(jié)構(gòu)容易造成堆積。這就要求電廠在相應(yīng)的方面采取有效預(yù)防和治理措施，減緩氧化皮生長，避免氧化皮聚集，降低爆管風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)組安全性。