鍋爐壁式再熱器爆管泄漏原因分析

李久航

摘要：四川某火力發(fā)電廠300WM機(jī)組的#32鍋爐壁式再熱器爆管泄漏，引起機(jī)組“非停”。對(duì)壁式再熱器失效管樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明該鍋爐壁式再熱器管失效是由于其向火側(cè)存在嚴(yán)重過(guò)熱，抗疲勞強(qiáng)度降低，在交變熱應(yīng)力作用下使得該管段發(fā)生熱疲勞破壞所致。為了防止此類(lèi)失效問(wèn)題繼續(xù)發(fā)生，提出了相應(yīng)措施和建議。

關(guān)鍵詞：壁再交變熱應(yīng)力熱疲勞? ? 過(guò)熱

1前言

四川某火力發(fā)電廠鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1025/17.4-Ⅱ4型，亞臨界參數(shù)，四角切圓（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）低氮燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐。在BMCR工況下，再熱蒸汽流量844.1t/h，進(jìn)/出口壓力為3.80/3.63 MPa，進(jìn)/出口溫度為327/540℃。

#32機(jī)組于2008年6月投產(chǎn)，運(yùn)行62089小時(shí)。2019年12月中旬完成B級(jí)檢修后，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間174天。泄漏前，機(jī)組負(fù)荷184MW，再熱蒸汽壓力2.05 MPa，溫度535℃，汽機(jī)背壓4.5 KPa，機(jī)組保護(hù)全部投入。

2現(xiàn)場(chǎng)檢查

（1）停爐冷卻后檢查發(fā)現(xiàn)，壁再左-1（左側(cè)墻爐后往爐前數(shù)第1根管，簡(jiǎn)稱(chēng)壁再）在標(biāo)高44.96米處泄漏。泄漏點(diǎn)向爐后及左側(cè)方向沖刷附近貼墻水冷壁，致使水冷壁管泄漏2根，嚴(yán)重減薄5根（左側(cè)爐后往爐前數(shù)第10～16根）。

（2）經(jīng)對(duì)壁再右-1（右側(cè)墻爐后往爐前數(shù)第1根管）檢查發(fā)現(xiàn)，右-1存在彎曲變形，其表面未發(fā)現(xiàn)結(jié)焦。

3試驗(yàn)分析

3.1宏觀檢查

（1）爆口上方第一個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)（46.3m）處，壁再左-1與左-2之間連接焊縫已經(jīng)松脫，該管段發(fā)生明顯彎曲變形。

（2）壁再左-1斷口宏觀特征：斷口面平齊，向火側(cè)表面結(jié)焦較背火側(cè)嚴(yán)重，肉眼可見(jiàn)斷口處下方1000mm范圍存在橫向裂紋有4條，從上向下分別編號(hào)為#1、#2、#3、#4，其長(zhǎng)度分別為35、50、40、45mm。用角磨機(jī)打磨氧化層后露出金屬光澤，向火側(cè)外壁氧化程度比背火側(cè)嚴(yán)重，向火側(cè)外壁發(fā)現(xiàn)存在多條橫向裂紋，裂紋方向與管子軸線垂直，呈密集平行分布。

（3）管段取樣宏觀特征：在距#3號(hào)裂紋往下80mm管段處取樣75mm，經(jīng)打磨露出金屬光澤后，發(fā)現(xiàn)其表面長(zhǎng)度不一的12條裂紋，最大長(zhǎng)度13mm，最小長(zhǎng)度3mm。

（4）管段取樣剖面宏觀特征：在距#4號(hào)裂紋往下80mm管段處取樣25mm，沿著縱向剖開(kāi)該管段發(fā)現(xiàn)向火側(cè)存在由表向里延伸的大量細(xì)微裂紋，背火側(cè)未見(jiàn)裂紋。

3.2脹粗測(cè)量

對(duì)爆口相鄰上下管段采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行脹粗測(cè)量，壁再規(guī)格為φ60×4，上段脹粗值60.10mm，外徑蠕變應(yīng)變比值0.17%，下段脹粗值60.80mm，外徑蠕變應(yīng)變比值1.33%。其脹粗量符合《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》DL/T438-2016中低合金鋼管外徑蠕變應(yīng)變值小于2.5%要求。

3.3變形量

對(duì)取樣管段2.68米進(jìn)行彎曲變形值的測(cè)量，變形值56mm，變形比值2.1%，其變形量超過(guò)《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》TSG G7002-2015中變形比值2%要求。

3.4材質(zhì)分析

對(duì)爆口相鄰上下管段采用x射線直讀熒光光譜儀進(jìn)行合金元素成份分析，壁再材質(zhì)為12Cr1MoV。其主要合金元素Cr、Mo、V含量符合《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》GB/T5310-2017中12Cr1MoV要求。

3.5金相組織分析

（1）采用線切割的方式在#1-#4裂紋處取環(huán)狀試樣4個(gè)，分別編號(hào)為SY1、SY2、SY3、SY4，機(jī)械拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕制成金相試樣，采用蔡司光學(xué)顯微鏡分別在500倍下觀察金相顯微組織形貌。

結(jié)果表明：試樣SY1～SY4兩側(cè)母材組織均為鐵素體+珠光體。其中向火側(cè)珠光體形態(tài)接近于完全消失，碳化物在晶界呈鏈狀分布，球化級(jí)別4級(jí)～4.5級(jí);背火側(cè)珠光體區(qū)域顯著分散，邊界線變模糊，晶界碳化物增多，球化級(jí)別3級(jí)～3.5級(jí)。

（2）在距#4裂紋向下管段80mm處取樣對(duì)管子縱向剖開(kāi)，割取縱截面試樣25mm，在鑲嵌機(jī)鑲嵌并經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光、浸蝕后，用蔡司光學(xué)顯微鏡分別在100倍、200倍、500下觀察其形貌。

結(jié)果表明：裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，最深為1.83mm，裂紋走向基本與管壁垂直，呈穿晶擴(kuò)展，裂紋前段尖銳。

3.6硬度分析

對(duì)金相取樣#3號(hào)裂紋的橫截面采用臺(tái)式數(shù)顯布氏硬度計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果：向火側(cè)硬度137HB、140HB、135HB，處于標(biāo)準(zhǔn)下限值，背火側(cè)硬度170HB、173HB、169HB滿足《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》GB∕T5310-2017中規(guī)定的12Cr1MoV硬度要求（135-195HB）。

3.7垢樣分析

對(duì)裂紋區(qū)附著結(jié)焦垢樣進(jìn)行X射線衍射分析，未發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，其垢樣主要成分為二氧化硅，含量為5.7%，三氧化二鐵，含量為56.1%，四氧化鐵鎂，含量為38.2%。

4原因分析

4.1壁再受熱分析

（1）由于煤粉氣流殘余旋轉(zhuǎn)，四角切圓燃燒煤粉鍋爐會(huì)在爐膛上部左右側(cè)出現(xiàn)熱偏差。對(duì)鍋爐運(yùn)行溫度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，機(jī)組在180MW負(fù)荷下，#32鍋爐壁再管左-1爆口附近的煙溫高于右-1相應(yīng)位置煙溫50～60℃;壁再左側(cè)出口蒸汽溫度也高于右側(cè)8～10℃。又由于壁再管左-1和右-1向火面積較大，管內(nèi)蒸汽流速較低，加之壁再管左-1附近煙溫偏高，使得壁再管左-1向火側(cè)局部超溫。

（2）由于壁再左-1處于壁再進(jìn)出口聯(lián)箱端部，再熱蒸汽在其端部靜壓差異，存在流量不勻，從而使集箱端部附近的管子流量減少，造成壁再左-1壁溫偏高。

（3）由于機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，以及向工業(yè)園區(qū)供熱，汽源點(diǎn)來(lái)自高壓缸排汽的冷段，這樣導(dǎo)致再熱蒸汽流量降低，不能有效帶走壁再管壁熱量，加重璧再熱負(fù)荷，因此不能有效降低壁再壁溫。

依據(jù)鍋爐廠文件要求，“再熱冷段供熱抽汽量應(yīng)當(dāng)處于5%～6%的進(jìn)汽量才能將再熱系統(tǒng)壁溫維持在合理的范圍?！痹跈C(jī)組常用負(fù)荷下（180MW左右），鍋爐廠推薦的安全抽汽量應(yīng)為23.7～28.4t/h。據(jù)電廠提供2020年2月～6月數(shù)據(jù)分析，平均供汽量30t/h左右。每日小時(shí)平均供汽量變化波動(dòng)幅度很大。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：①供汽量長(zhǎng)時(shí)間處于超出設(shè)計(jì)范圍;②供汽量存在波動(dòng)。供汽量的超設(shè)計(jì)值和供汽量的波動(dòng)會(huì)直接造成壁再管壁超溫和溫度波動(dòng)。

4.2壁再熱應(yīng)力分析

當(dāng)金屬材料工作溫度或膨脹系數(shù)有差別時(shí)，各部分膨脹和收縮會(huì)相互約束而產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力也稱(chēng)熱應(yīng)力，溫差越大，熱應(yīng)力越大，反之亦然。

（1）鍋爐在啟動(dòng)過(guò)程中壁再受熱膨脹，停爐過(guò)程中，壁再冷卻收縮。壁再在啟停爐過(guò)程中承受交變熱應(yīng)力（低周），啟停次數(shù)越多，疲勞損傷也越大。

（2）壁再向火側(cè)壁溫高于背火側(cè)壁溫，造成向火側(cè)膨脹量大于背火側(cè)膨脹量。使得壁再向向火側(cè)彎曲，向火側(cè)外表面承受拉應(yīng)力，背火側(cè)外表面承受壓應(yīng)力。

（3）供熱管線供熱量的變化，造成壁再流量時(shí)大時(shí)小，使得壁再管壁存在交變熱應(yīng)力。

（4）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壁再附近溫度測(cè)試表明，煙氣溫度存在一定量周期性變化，也導(dǎo)致壁再管壁存在交變熱應(yīng)力。

4.3綜合原因分析

（1）宏觀檢查，壁再向火側(cè)外表面存在大量密集的平行橫向裂紋，且裂紋走向由外向里擴(kuò)展，管壁上的裂紋形貌具有典型的熱疲勞裂紋特征。

（2）根據(jù)壁再受熱分析和受力分析可知壁再管壁存在交變熱應(yīng)力。

（3）根據(jù)失效壁再管段的金相試驗(yàn)表明：該管段存在過(guò)熱。向火側(cè)過(guò)熱程度遠(yuǎn)高于背火側(cè);可見(jiàn)裂紋縫隙內(nèi)有大量高溫氧化腐蝕產(chǎn)物，表明有長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱現(xiàn)象。

（4）垢樣分析結(jié)果表明只有高溫氧化腐蝕產(chǎn)物，無(wú)其它腐蝕產(chǎn)物，說(shuō)明不存在腐蝕破壞。

（5）壁再管左-1爆口附近的煙溫高于壁再管右-1相應(yīng)位置的煙溫50～60℃;壁再左側(cè)出口蒸汽溫度也高于右側(cè)出口蒸汽溫度8～10℃。這說(shuō)明壁再右-1管段承受的熱負(fù)荷低于壁再左-1管段承受的熱負(fù)荷。

（6）壁再管左-1較本側(cè)其它壁再管的向火面積較大，管內(nèi)蒸汽流速較低，且其附近煙溫相對(duì)偏高，使得壁再左-1管向火側(cè)局部承受較大熱負(fù)荷，本側(cè)其它壁再管承受的熱負(fù)荷較小。

從以上分析可知，該管段存在嚴(yán)重過(guò)熱致使其抗熱疲勞破壞能力降低（疲勞強(qiáng)度下降），又由于壁再失效管段存在交變熱應(yīng)力，使得該管段具備熱疲勞損傷條件。

5結(jié)論及建議

根據(jù)以上試驗(yàn)分析，壁再管段失效原因是由于其向火側(cè)存在嚴(yán)重過(guò)熱其抗疲勞強(qiáng)度降低，在交變熱應(yīng)力作用下使得該管段發(fā)生熱疲勞破壞。

為避免相同事件再次發(fā)生，根據(jù)壁再失效原因，特提出以下建議：

（1）對(duì)#32爐失效管段附近的壁再和對(duì)側(cè)的相同部位壁再進(jìn)行割管取樣和管壁表面無(wú)損檢測(cè)。

（2）在不能改善壁再管的受熱狀況下，考慮是否更換材料，以提高其抗熱疲勞能力。

（3）按照逢停必檢原則，加大爐內(nèi)受熱面管檢查。

（4）通過(guò)就地手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置改變?nèi)急M風(fēng)噴口水平傾角，使燃盡風(fēng)在主燃區(qū)上部形成反向切氣流，減小爐膛上部煤粉氣流殘余旋轉(zhuǎn)度，以降低爐膛左右側(cè)熱偏差。必要時(shí)，停爐調(diào)整部分主燃燒器噴口水平傾角。

（5）根據(jù)供熱需求及自身的設(shè)備特性，優(yōu)化抽汽源（如在再熱熱段抽汽）及優(yōu)化供熱系統(tǒng)（如采用蒸汽匹配器，將再熱蒸汽和汽輪機(jī)某級(jí)更低參數(shù)的抽汽混合擴(kuò)壓后供汽）的升級(jí)改造。

（6）為及時(shí)準(zhǔn)確掌握壁式再熱器熱負(fù)荷較大區(qū)域的管壁溫度及其變化規(guī)律，在熱負(fù)荷較大區(qū)域的壁再管子加裝永久或臨時(shí)壁溫測(cè)點(diǎn)和煙溫測(cè)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 電站重要金屬部件的失效及其監(jiān)督蔡文河嚴(yán)蘇星編著（2009）

[2] GB∕T5310-2017高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管