李曉琴,蘇 建
(北京巴布科克·威爾科克斯有限公司,北京 100043)
某電廠(chǎng)10#鍋爐為330 MW 亞臨界燃煤鍋爐,原型號(hào)為B&WB-1025/17.5-M,鍋爐為半露天,平衡通風(fēng),中間再熱,固態(tài)排渣全懸吊結(jié)構(gòu),尾部煙道呈倒L 形布置,設(shè)計(jì)煤種為山西陽(yáng)泉無(wú)煙煤和晉中地區(qū)貧煤,采用鋼球磨中間儲(chǔ)倉(cāng)式熱風(fēng)送粉系統(tǒng),前后墻對(duì)沖燃燒方式,在尾部豎井下設(shè)置2 臺(tái)容克式三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。爐膛由膜式水冷壁構(gòu)成,爐膛上部布置屏式過(guò)熱器,爐膛折焰角上方有高溫過(guò)熱器,水平煙道處布置垂直再熱器,尾部豎井由隔墻分成前后兩個(gè)煙道,前部布置水平再熱器,后部為低溫過(guò)熱器和省煤器。
該鍋爐于2005 年9 月投產(chǎn),2016 年對(duì)鍋爐300 MW 汽輪機(jī)組進(jìn)行增容降耗通流節(jié)能技術(shù)改造,改造后機(jī)組出力提高至330 MW,鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量由1025 t/h 提升至1075 t/h,同時(shí)高壓缸出口排汽壓力上升,超過(guò)鍋爐原設(shè)計(jì)值,鍋爐高溫過(guò)熱器管組管材壁溫上升,溫度裕度下降。根據(jù)運(yùn)行狀況和防爆中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,2020 年對(duì)鍋爐高溫過(guò)熱器進(jìn)口管組、出口管組頂棚以上部分管材進(jìn)行升級(jí)更換,2022 年防爆檢查中發(fā)現(xiàn)高溫過(guò)熱器出口管組性能下降嚴(yán)重,且已超標(biāo),還發(fā)生過(guò)一次爆口停爐事件。該鍋爐原始受熱面已投產(chǎn)17 年,目前狀況嚴(yán)重威脅鍋爐安全運(yùn)行。
鍋爐過(guò)熱器由頂棚、包墻、低溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器及高溫過(guò)熱器組成。高溫過(guò)熱器位于折焰角上方,由入口、出口兩個(gè)管組組成。入口管組由管徑51 mm,材料為15CrMoG、12Cr1MoVG及SA-213T91 的鋼管組成。入口管組系14 管圈并繞,橫向節(jié)距600 mm,沿爐寬布置22 片。出口管組由外徑51 mm,材料為12Cr1MoVG 和SA-213T91 鋼管組成,橫向節(jié)距300 mm,7 管圈并繞,沿爐寬布置44 片。
高溫過(guò)熱器受熱面管在運(yùn)行中的特點(diǎn)是:各管排、各管段沿爐膛寬度及高度方向的溫度分布不均勻;由于過(guò)熱蒸汽介質(zhì)作用,在高溫受熱面管子內(nèi)壁會(huì)形成一層致密的氧化層,氧化層的傳熱熱阻較大,阻礙了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬間的熱交換,從而導(dǎo)致管壁溫度升高;超溫使管子的安全使用壽命大大降低;高溫腐蝕或沖蝕使管壁局部減薄[1]。
2021 年5 月10#鍋爐C 級(jí)檢修防磨防爆檢查記錄顯示,高溫過(guò)熱器入口管組爐前數(shù)外4 管子(材料12Cr1MoVG,規(guī)格Φ51×7.5)的壁厚和外徑檢測(cè)數(shù)據(jù)符合要求。金屬監(jiān)督采樣左13排外4 分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果合格。
2022 年2 月,10#鍋爐高溫過(guò)熱器出口管組左數(shù)第27 排外1 管T91Φ51×6 在距下彎頭3 m 處發(fā)生泄漏,泄漏原因?yàn)橥獗诟邷馗g減薄疊加熱疲勞造成組織老化、力學(xué)性能下降。采樣分析發(fā)現(xiàn)高溫過(guò)熱器部分管段存在組織老化、力學(xué)性能不合格等情況。隨后,在2022 年4 月利用機(jī)組臨停機(jī)會(huì),對(duì)高溫過(guò)熱器出口管組進(jìn)行了擴(kuò)大采樣檢查。
12Cr1MoVG 材料管采樣21 根,做金相組織觀(guān)察及強(qiáng)度、延伸率試驗(yàn)。其中,5 根管老化程度4 級(jí),剩余16 根老化程度4.5~5 級(jí),嚴(yán)重老化數(shù)量占比76%。力學(xué)性能不合格管17 根,力學(xué)性能不合格占比81%。
SA-213T91 材料管采樣8 根,做金相組織觀(guān)察及強(qiáng)度、延伸率試驗(yàn)。其中,1 根管老化程度4 級(jí),其余7 根管老化程度3 級(jí)。力學(xué)性能不合格管2 根,力學(xué)性能下限管2 根,不合格及力學(xué)性能下限管占比50%。
2022 年4 月,停爐宏觀(guān)檢查高溫過(guò)熱器出口管組迎火側(cè)距下彎頭4 m 及向上區(qū)域管外壁上均有明顯的硬質(zhì)粘黏物(結(jié)渣),顏色為暗紅色(圖1)。外1 管(材料SA-213T91,規(guī)格Φ51×6 mm)外壁迎火側(cè)半圈覆蓋,結(jié)渣區(qū)域最大厚度約10 mm,同排其他管圈在管子兩側(cè)少量粘黏。
圖1 外1 管外壁硬質(zhì)粘黏物
去除粘附物后,管表面有明顯的連續(xù)腐蝕點(diǎn)蝕坑(圖2),其中左數(shù)20~43 排區(qū)域外1 管外壁存在此現(xiàn)象特征明顯。經(jīng)電科院分析,結(jié)渣附著物含有大量的硫元素。
圖2 外1 管外壁連續(xù)腐蝕點(diǎn)蝕坑
對(duì)高溫過(guò)熱器出口外1 管(材料SA-213T91,規(guī)格Φ51×6)腐蝕點(diǎn)處剩余壁厚測(cè)量,測(cè)量44 個(gè)點(diǎn),超標(biāo)24 處,占比55%,腐蝕超標(biāo)嚴(yán)重。
綜合取樣管和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果,主要結(jié)論和建議如下:
(1)高溫過(guò)熱器入口管組檢測(cè)正常,不需更換。
(2)高溫過(guò)熱器出口管組SA-213T91 管排壁厚減薄超標(biāo),12Cr1MoVG 材料普遍達(dá)到了老化或者球化4.5~5 級(jí),機(jī)械性能不滿(mǎn)足要求,建議更換。
結(jié)合鍋爐運(yùn)行情況及采樣檢測(cè)結(jié)果,分析造成高溫過(guò)熱器出口管組現(xiàn)狀的原因。
10#鍋爐投產(chǎn)至本次A 修已運(yùn)行17 年,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)13 萬(wàn)小時(shí)。受熱面管材經(jīng)過(guò)磨損及疲勞應(yīng)力影響,管子材料逐漸老化、球化,使管子趨于硬化、脆化,導(dǎo)致內(nèi)壓蠕變斷裂強(qiáng)度降低,管組強(qiáng)度下降,力學(xué)性能不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。另外,在長(zhǎng)期高溫環(huán)境下運(yùn)行,管子內(nèi)壁會(huì)與高溫過(guò)熱蒸汽發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧化皮,氧化皮的堆積不僅增大了管壁的導(dǎo)熱熱阻,影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性,還會(huì)使管子過(guò)熱發(fā)生爆管,以及頻繁的啟停及溫度波動(dòng)大,會(huì)導(dǎo)致氧化皮脫落,堵塞管道,嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行[2-3]。
10#鍋爐投產(chǎn)后長(zhǎng)期在非設(shè)計(jì)煤種下運(yùn)行,尤其近年受煤碳市場(chǎng)影響,大比例摻燒經(jīng)濟(jì)煤。據(jù)統(tǒng)計(jì),2018 年1 月—2022 年8 月,低位發(fā)熱量逐年下降,由22.75 MJ/kg 降至17.49 MJ/kg,同期硫分由1.7%升至2.03%,灰分由27.55%升至44.91%。燃燒低熱值煤導(dǎo)致煙氣量增加,使得受熱面壁溫上升,溫度裕度下降?;曳衷黾蛹觿×耸軣崦娴哪p和硫分增加,對(duì)受熱面產(chǎn)生高溫硫腐蝕。經(jīng)濟(jì)煤中的石頭等雜質(zhì)中所含鈣、鈉、鉀等堿金屬也會(huì)對(duì)受熱面產(chǎn)生堿腐蝕。
10#鍋爐于2016 年增容改造后,鍋爐最大蒸發(fā)量由原設(shè)計(jì)的1025 t/h 增容至1075 t/h,煙氣量增大,受熱面壁溫上升,其中高過(guò)出口管組SA-213T91,Φ51×6 mm 的管子在BMCR(Boiler Maximum Continuous Rating,鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)工況下,核算金屬壁溫溫度裕度為-1 ℃,其他管子的均有所下降。
10#鍋爐低氮燃燒改造后,SOFA(分離燃盡風(fēng))噴口位置大幅上移,同時(shí)SOFA 風(fēng)率增大,造成燃燒滯后,爐膛出口溫度升高,對(duì)流受熱面吸熱增加,使對(duì)流受熱面特別使是高溫受熱面的工作狀態(tài)惡化。
針對(duì)10#鍋爐高溫過(guò)熱器管組運(yùn)行及檢測(cè)情況,對(duì)高溫過(guò)熱器出口管組進(jìn)行升級(jí)改造,頂棚以下管排整體更換,管子材料全部采用SA-213T91,每片管排外一根垂直段進(jìn)行防腐改造,優(yōu)化管夾固定形式,吹灰孔處加裝防磨裝置,頂部增加柔性密封。
由于10#鍋爐高溫過(guò)熱器出口管組老化,力學(xué)性能不合格,故對(duì)其44 片管全部進(jìn)行更換。改造范圍自入口分集箱至出口集箱(2020 年改造過(guò)的管子利舊),具體為將原12Cr1MoVG 材料的管子全部升級(jí)為SA-213T91 材料,將原SA-213T91 材料的管子全部進(jìn)行更換,管子規(guī)格根據(jù)計(jì)算確定,選用Φ51×7 mm(表1),其中,SA-213T91 材料管子的許用應(yīng)力取值按ASME 卷ⅡD篇2021 版中SA-213T91 Type2。
表1 管子強(qiáng)度計(jì)算
氧化皮形成不可避免,不同材料的氧化皮抗剝落能力有較大差別,因此材料選用合理,是影響氧化皮剝落的重要因素。管材中鉻含量增加,有助于提高金屬的抗氧化能力,而對(duì)于高溫的過(guò)熱器材料選用抗氧化能力較好的T91 材料,可有效減少金屬在運(yùn)行中氧化,減少氧化皮剝落。為了達(dá)到安全運(yùn)行生產(chǎn)的目的,有必要對(duì)高溫過(guò)熱器出口管組的管材進(jìn)行升級(jí)更換[4]。
出口管組最高金屬壁溫595 ℃,采用SA-213T91 代替12Cr1MoVG 的原因?yàn)镾A-213T91 的高溫耐熱性較12Cr1MoVG高,且高溫許用應(yīng)力高(表2),其中,12Cr1MoVG 管子取值按GB/T 16507.2—2013,SA-213T91 管子取值按ASME 卷ⅡD 篇2021 版中SA-213T91 Type2。
因迎火側(cè)外一根管出現(xiàn)高溫硫腐蝕,故在其垂直段區(qū)域進(jìn)行防腐噴涂。噴涂采用高溫納米陶瓷識(shí)別涂層技術(shù),涂層分為基層和表層,基層和表層均為高溫納米陶瓷涂層材料。
管子可安裝前在車(chē)間進(jìn)行噴涂,也可安裝后在爐內(nèi)進(jìn)行噴涂。噴涂時(shí)先進(jìn)行噴砂,噴砂后基體表面應(yīng)當(dāng)干燥、無(wú)灰塵、無(wú)油污、無(wú)氧化皮、無(wú)銹跡,管屏顯示均勻的灰白色,處理后的清潔度應(yīng)達(dá)到Sa3.0 級(jí);噴砂后進(jìn)行噴涂,噴涂基層與表層色差明顯,涂層總厚度200~300 μm,不影響受熱面的換熱效率。
噴涂時(shí)采用分層、分區(qū)作業(yè),局部區(qū)域達(dá)到工藝設(shè)計(jì)厚度后再移至其他區(qū)域,確保涂層厚度均勻,下一道壓住上一道的1/3或1/4,防止漏噴,一次按順序噴完,避免后噴的漆霧飛濺到已噴好的納米陶瓷膜上,破壞已噴好的膜面。噴涂后,保證表面平整、光潔、致密、均勻,無(wú)起皮、開(kāi)裂、麻面、脫落等缺陷,邊緣與母材光滑過(guò)度,無(wú)臺(tái)階存在,基材不變形。
根據(jù)巴威公司最新標(biāo)準(zhǔn),本次改造對(duì)管夾的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的管夾在保證強(qiáng)度和固定的基礎(chǔ)上將更安全耐用,使用壽命更長(zhǎng)。
管排水平方向采用獨(dú)特的“手銬型波形管卡”結(jié)構(gòu)(圖3)。兩個(gè)對(duì)半的管卡不僅卡緊整個(gè)管排,保持管排平直,還保證了管排受熱后管子的自由向下膨脹,消除管子因膨脹受阻產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中,并能起到水平方向定位作用。為保證管卡的長(zhǎng)期有效,管卡采用耐熱鑄件,安全可靠。
圖3 “手銬型波形管卡”結(jié)構(gòu)
高溫過(guò)熱器出口管排間原設(shè)計(jì)采用夾板、扁鋼結(jié)構(gòu)定位(圖4),在鍋爐運(yùn)行中,高溫應(yīng)力以及振動(dòng)等引起夾板焊縫斷開(kāi),扁鋼定位板振落。新結(jié)構(gòu)采用U 形管夾固定在管排最外側(cè)管子上,與定位鋼板均開(kāi)鎖口,安裝后卡住焊接,并且在鋼板上部增加鎖片鋼板與U 形夾焊接,雙重保障定位鋼板的牢固性(圖5)。
圖4 原橫向固定結(jié)構(gòu)
圖5 現(xiàn)橫向固定結(jié)構(gòu)
在管組每個(gè)吹灰孔中心線(xiàn)上下約600 mm 處加裝防磨板,防磨板僅一端與管子焊接,另一端自由膨脹,防磨板外焊接壓板,防磨板與壓板壓緊焊接,端部留3~5 mm 不焊,沿防磨板長(zhǎng)度方向布置3 個(gè)壓板(圖6)。
圖6 防磨裝置
原高溫過(guò)熱器出口管組穿頂棚處頂部密封為金屬密封結(jié)構(gòu)。金屬密封在頂棚管處設(shè)一次密封梳形板,在距頂棚管中心線(xiàn)上部約200 mm 處設(shè)二次密封高冠板,做成一個(gè)金屬盒。
本次改造在二次金屬密封盒上部敷設(shè)立體柔性密封(圖7)。柔性密封采用立體撓性方式,將所有可能產(chǎn)生的膨脹點(diǎn)即泄漏點(diǎn)置于密封層的中心點(diǎn)上,確保能完整地吸收三方位的膨脹。柔性密封技術(shù)中陶瓷纖維為整體密封層的主體材料,起著吸收鍋爐膨脹,阻擋鍋爐本體金屬密封開(kāi)裂處的高溫?zé)煔鉀_刷的作用,有助于降低鍋爐漏風(fēng)率,且保溫性能有所提升,散熱量減少,有助于提高能源利用率[5]。
圖7 柔性密封結(jié)構(gòu)
陶瓷纖維毯的選擇以抗透氣性(透氣阻力),抗風(fēng)蝕性能,壓縮回彈率,高純度為主。主要指標(biāo):Al2O3,SiO2之和大于97%且Al2O3的含量大于45%。長(zhǎng)期使用溫度>1200 ℃,密度>128 kg/m3。密封材料選用進(jìn)口陶瓷纖維產(chǎn)品以及與之配套研制的高溫粘合劑,陶瓷纖維毯共鋪設(shè)3 層,敷設(shè)高度高于金屬盒表面約200 mm。
某電廠(chǎng)10#鍋爐高溫過(guò)熱器管組通過(guò)整體更換改造,升級(jí)材料,防腐噴涂,優(yōu)化結(jié)構(gòu),解決了管組由于在高溫環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,出現(xiàn)管子材料逐漸老化、硬化、脆化,內(nèi)壓蠕變斷裂強(qiáng)度降低,產(chǎn)生氧化皮,高溫硫腐蝕等影響鍋爐運(yùn)行安全的問(wèn)題,提高了鍋爐運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性。此改造方案對(duì)解決鍋爐類(lèi)似問(wèn)題可提供一定的參考。