電站鍋爐后屏過熱器流體冷卻間隔管爆管原因分析

史海燕 史曉琦 智強(qiáng)強(qiáng) 李虹霖

（1．內(nèi)蒙古磴口金牛煤電有限公司 巴彥淖爾 015200）

（2．內(nèi)蒙古電力建設(shè)（集團(tuán)）有限公司 呼和浩特 010010）

（3．哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 哈爾濱 150046）

某電廠#2機(jī)組負(fù)荷在299.8 MW時(shí)，主蒸汽溫度為535 ℃，主蒸汽壓力為15.93 MPa，發(fā)現(xiàn)#2鍋爐右側(cè)51 m處有泄漏聲音。檢查鍋爐爐管泄漏自動(dòng)報(bào)警裝置，顯示第7通道報(bào)警，能量值（標(biāo)準(zhǔn)值＜50%）從30%上漲至最高86%，且低頻頻譜值達(dá)到800（標(biāo)準(zhǔn)值＜200），最高上漲至1 350。調(diào)取受熱面管道壁溫監(jiān)測歷史曲線，發(fā)現(xiàn)后屏過熱器爐左向爐右數(shù)第20屏爐后至爐前第2根管壁溫從467.3 ℃上升至605.2 ℃，鍋爐受熱面管壁溫度監(jiān)測記錄如圖1所示。據(jù)此判斷，該管道已出現(xiàn)泄漏。確認(rèn)后屏過熱器管道失效后，進(jìn)行停機(jī)檢修并分析原因。截止到本次停爐，#2鍋爐累計(jì)運(yùn)行約59 000 h。

圖1 鍋爐受熱面管壁溫測點(diǎn)記錄曲線

1 設(shè)備概況

#2機(jī)組為330 MW燃煤機(jī)組，鍋爐采用全鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架、緊身封閉布置結(jié)構(gòu)，采用正壓直吹式中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)、四角切圓燃燒方式、固態(tài)排渣，鍋爐設(shè)計(jì)為亞臨界參數(shù)，設(shè)計(jì)最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 176 t／h。過熱器系統(tǒng)由頂棚過熱器和包墻過熱器、水平低溫過熱器和立式低溫過熱器、分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級過熱器組成。末級過熱蒸汽出口壓力為17.5 MPa，出口溫度為541 ℃，過熱蒸汽溫度采用二級噴水調(diào)節(jié)。

后屏過熱器位于爐膛上方折焰角前部，共20屏，每屏以685.8 mm的橫向間距沿整個(gè)爐膛寬度方向布置。后屏過熱器流體冷卻間隔管由后煙道延伸包墻入口連接管引出，進(jìn)入爐膛內(nèi)沿爐寬方向?qū)?0屏后屏過熱器管屏分別橫向固定，再穿出頂棚過熱器與過熱器聯(lián)絡(luò)管相連。主要作用是保持爐膛內(nèi)后屏過熱器管屏橫向間距和防止運(yùn)行中管屏位移及晃動(dòng)[1]。爐內(nèi)流體冷卻間隔管材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為φ51 mm×7 mm。

鍋爐停爐冷卻后進(jìn)入爐內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)爐前側(cè)流體冷卻間隔管U型彎頭外弧側(cè)爆管，且水平向爐后側(cè)位移約500 mm，流體間隔管彎頭爆口處宏觀形貌見圖2。爆口處泄漏的蒸汽將相鄰的后屏過熱器爐左向爐右數(shù)第20屏爐前至爐后第1至第5根過熱器管沖刷吹損，沖刷部位表面光滑，方向一致，沖刷深度與蒸汽流向相符，符合GB／T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》中第7.6.2條沖刷損傷形態(tài)特征[2]，后屏過熱器吹損管屏部位見圖3。后屏過熱器管材質(zhì)為SA213-T91，規(guī)格為φ54 mm×9 mm。割管檢查管道彎頭內(nèi)部未見氧化皮脫落及其他異物?，F(xiàn)場分析流體冷卻間隔管水平位移的原因?yàn)椋鹤訳型彎頭開始至頂棚垂直直管段長10 m多，無任何剛性固定，機(jī)組運(yùn)行時(shí)在爐內(nèi)高溫環(huán)境工況下，管道剛性不足，突然爆管外泄的蒸汽所產(chǎn)生的反作用力使其向爐后位移約500 mm[3]，導(dǎo)致彎頭處泄漏蒸汽將后屏過熱器管屏由后上方向前下方?jīng)_刷吹損。

圖2 流體間隔管彎頭爆口處形貌

圖3 后屏過熱器管屏吹損形貌

為確定流體冷卻間隔管開裂原因，對泄漏的流體冷卻間隔管和沖刷最嚴(yán)重的第20屏后屏過熱器前向后數(shù)第2根鋼管進(jìn)行取樣分析檢測。

2 失效原因分析

2.1 宏觀形貌檢查與分析

對爆漏的流體冷卻間隔管彎頭進(jìn)行宏觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)間隔管彎頭外弧側(cè)沿鋼管軸向發(fā)生開裂，爆口長度約95 mm，開口較小，呈脆性斷裂特征，爆口處管徑略微脹粗，管壁減薄不多，爆口斷面粗糙，成不平整鈍邊，鋼管內(nèi)、外壁均存在較厚的氧化皮，爆口附近分布有與破口方向一致的老樹皮狀縱向裂紋，具有典型長時(shí)過熱爆口形貌特征[4]。爆口處內(nèi)、外壁形貌及檢測試樣見圖4（a）、圖4（b）。同時(shí)對吹損泄漏的后屏過熱器管屏進(jìn)行宏觀形貌檢查，漏點(diǎn)周邊管壁光滑，減薄明顯，未見管徑脹粗，未見表面氧化皮及腐蝕損傷特征，符合蒸汽沖刷損傷特征。

圖4 彎頭處爆口內(nèi)、外壁形貌

2.2 化學(xué)成分檢測與分析

使用SPECTROLAB MAXx臺(tái)式光譜儀對流體冷卻間隔管彎頭材質(zhì)12Cr1MoVG進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1，鋼管化學(xué)成分鉻含量符合GB／T 222—2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》的要求，其他合金成分均符合設(shè)計(jì)材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表1 12Cr1MoVG化學(xué)成分檢測結(jié)果%

2.3 顯微組織檢測與分析

對爆漏的流體冷卻間隔管材質(zhì)12Cr1MoVG取樣進(jìn)行顯微組織檢測，發(fā)現(xiàn)爆口附近及對側(cè)金相組織均為鐵素體+碳化物，球化級別已達(dá)5級，屬嚴(yán)重球化。通過金相觀察可以發(fā)現(xiàn)，爆口尖端存在蠕變孔洞和蠕變裂紋，爆口尖端金相組織見圖5（a）。爆口處附近管道金相組織見圖5（b）。爆口對側(cè)管道金相組織見圖6。整段管道氧化狀況嚴(yán)重，內(nèi)壁氧化皮厚度達(dá)237 μm，見圖7。氧化是金屬材料在高溫環(huán)境下服役失效的一個(gè)重要原因，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長，冷卻間隔管管壁氧化皮厚度增加，管子的熱阻也會(huì)隨之增加，造成管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)對管壁的冷卻能力下降，而管壁的溫度相對升高，氧化皮厚度增加同時(shí)又使管子的有效使用壁厚逐漸減小，造成超溫運(yùn)行。超溫運(yùn)行加劇管壁的氧化，同時(shí)又導(dǎo)致管材在運(yùn)行過程中珠光體球化速度的加劇[5]。

圖5 爆口部位金相組織

圖5 爆口部位金相組織（續(xù)）

圖6 爆口處對側(cè)金相組織

圖7 爆口管內(nèi)壁氧化皮

另對沖刷泄漏的第20屏后屏過熱器前向后第2根鋼管取樣進(jìn)行顯微組織檢測。該管材質(zhì)為SA213-T91，內(nèi)壁未見明顯氧化皮。金相組織為回火馬氏體，老化級別2級，符合材料要求，金相組織見圖8。

圖8 第20屏第2根泄漏管金相組織

2.4 力學(xué)性能檢測與分析

對爆漏的流體冷卻間隔管和后屏過熱器管進(jìn)行常溫拉伸性能測試，結(jié)果顯示流體冷卻間隔管的抗拉強(qiáng)度已低于標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測結(jié)果見表2。

表2 流體冷卻間隔管常溫力學(xué)性能檢測結(jié)果

檢測沖刷泄漏的后屏過熱器爐左向爐右數(shù)第20屏第2根管的各項(xiàng)常溫力學(xué)性能，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測結(jié)果見表3。

表3 后屏過熱器管常溫力學(xué)性能檢測結(jié)果

通過力學(xué)性能檢測，結(jié)果顯示流體冷卻間隔管12Cr1MoVG材料的抗拉強(qiáng)度已低于標(biāo)準(zhǔn)要求，在高溫環(huán)境下組織穩(wěn)定性降低，爆口管子球化級別已達(dá)5級，組織的老化導(dǎo)致力學(xué)性能降低，高溫強(qiáng)度嚴(yán)重下降，在高溫介質(zhì)和蒸汽壓力的雙重作用下，發(fā)生高溫蠕變并形成裂紋，導(dǎo)致管子爆口失效。

2.5 管道布置與分析

查閱鍋爐廠后屏過熱器流體冷卻間隔管設(shè)計(jì)圖紙，并與爐內(nèi)管道實(shí)際布置走向進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有布置管道安裝走向與原設(shè)計(jì)圖紙布置不符，經(jīng)計(jì)算，原鍋爐廠設(shè)計(jì)流體冷卻間隔管爐內(nèi)長度約為31 000 mm，原鍋爐廠設(shè)計(jì)簡圖如圖9所示。經(jīng)了解，#2鍋爐低氮燃燒器改造時(shí)為解決后屏過熱器壁溫超溫問題，將后屏過熱器（共20屏）管屏的每屏內(nèi)管圈第15管圈、第16管圈（原設(shè)計(jì)每屏共16圈）爐內(nèi)管段切除，來減少管屏換熱面積。改造后為固定管屏，調(diào)整了固定位置并增加橫向流體冷卻間隔管的長度來固定管屏。改造后安裝布置的流體冷卻間隔管爐內(nèi)部分長約81 000 mm，管道長度比原設(shè)計(jì)長度增加約50 000 mm，管道布置如圖10所示。

圖9 原設(shè)計(jì)流體冷卻間隔管布置簡圖

圖10 低氮燃燒改造后流體冷卻間隔管布置簡圖

管道增長擴(kuò)大了管道受熱面積，吸熱量增加，造成管內(nèi)蒸汽溫度超出設(shè)計(jì)溫度，且降低了管內(nèi)蒸汽流速。此結(jié)果從前期流體冷卻間隔管末端爐外管座金屬檢測材質(zhì)老化進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.6 運(yùn)行分析

通過調(diào)閱機(jī)組前期運(yùn)行記錄，發(fā)現(xiàn)#2鍋爐低氮燃燒器改造前，后屏過熱器易超溫，通過切除管圈減少受熱面積進(jìn)行改善。低氮燃燒器改造后爐膛火焰中心上移，后屏過熱器仍存在局部超溫現(xiàn)象；受市場采購煤種影響，入爐煤摻燒后易堵塞，加上錐形結(jié)構(gòu)煤倉落煤不暢，磨煤機(jī)易斷煤，斷煤后主蒸汽壓力下降，對應(yīng)飽和蒸汽溫度下降，鍋爐輻射換熱減少，對流換熱增加，斷煤后采用機(jī)械或人工處理又突然大量下煤[6]，又促進(jìn)過熱系統(tǒng)超溫現(xiàn)象的發(fā)生；低負(fù)荷時(shí)蒸汽流量低，啟、停磨煤機(jī)時(shí)若運(yùn)行人員操作不當(dāng)，加劇爐內(nèi)受熱面管的超溫。以上因素共同導(dǎo)致該部位管道處在超溫工況下運(yùn)行。

因流體冷卻間隔管無壁溫測點(diǎn)，無法適時(shí)準(zhǔn)確判斷管道超溫情況，但根據(jù)相鄰的后屏過熱器歷史運(yùn)行壁溫記錄和管道空間位置確定，爐內(nèi)流體冷卻間隔管長期處于超溫狀態(tài)運(yùn)行。

3 爆管原因分析

與流體冷卻間隔管相鄰的后屏過熱器管屏材質(zhì)為SA213-T91，使用溫度在610 ℃范圍內(nèi)，通過檢測，未見異常。流體冷卻間隔管材質(zhì)為12Cr1MoVG，依據(jù)DL／T 715—2015《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》規(guī)定，此材質(zhì)用在鍋爐受熱面管溫度上限為580 ℃[7]。低氮燃燒器改造后在管內(nèi)未見異物堵塞的情況下僅運(yùn)行28 000 h便出現(xiàn)管材5級球化的現(xiàn)象。

從金屬材料本身失效分析結(jié)果說明，流體冷卻間隔管運(yùn)行過程中存在長時(shí)過熱現(xiàn)象，造成鋼管組織嚴(yán)重球化、力學(xué)性能下降，在內(nèi)部高溫介質(zhì)壓力作用下發(fā)生爆破泄漏形成第一爆口，泄漏的高壓蒸汽不斷沖刷與其相鄰的后屏過熱器管屏，最終導(dǎo)致后屏過熱器吹損減薄形成第二泄漏點(diǎn)。

綜上所述，通過對后屏過熱器流體冷卻間隔管檢測分析、管系爐內(nèi)布置情況和運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合分析，確定引起爆管的主要原因是#2爐低氮燃燒器改造時(shí)流體冷卻間隔管未按原設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行恢復(fù)，改造時(shí)僅考慮管屏固定，未考慮管道長度增加對冷卻間隔管材質(zhì)本身的影響。流體冷卻間隔管長度的增加，造成管內(nèi)蒸汽介質(zhì)流速降低，爐內(nèi)管壁受熱面積擴(kuò)大，導(dǎo)致吸熱量增加，再加上爐內(nèi)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境溫度高于原設(shè)計(jì)管道材質(zhì)報(bào)警溫度，選用12Cr1MoVG材質(zhì)的流體冷卻間隔管管內(nèi)蒸汽溫度和管壁溫度長期超過材質(zhì)允許的580 ℃上限[8]。因流體冷卻間隔管無壁溫監(jiān)測點(diǎn)，未能有效監(jiān)測超溫現(xiàn)象，最終導(dǎo)致低氮燃燒器改造后僅運(yùn)行28 000 h材料過熱老化失效爆管。

4 檢修及恢復(fù)

依據(jù)爐內(nèi)運(yùn)行環(huán)境工況，提高流體冷卻間隔管材質(zhì)溫度適用范圍，將爐內(nèi)未按設(shè)計(jì)布置的已經(jīng)過熱的流體冷卻間隔管全部更換為SA213-T91管，并恢復(fù)原鍋爐廠設(shè)計(jì)布置，另對吹損的5根后屏過熱器管道進(jìn)行更換。同時(shí)在年度檢修時(shí)對#1機(jī)組后屏過熱器存在同樣狀況的流體間隔管也進(jìn)行了更換恢復(fù)。

#2爐更換恢復(fù)后流體冷卻間隔管又運(yùn)行約30 000 h，檢測管壁金相組織、硬度無異常。

5 結(jié)束語

1）此次爆管給鍋爐技改工程施工敲響警鐘，技改工程施工時(shí)須嚴(yán)格復(fù)核圖紙和施工過程監(jiān)督，規(guī)范設(shè)計(jì)、安裝工藝，確須改變原設(shè)計(jì)的，應(yīng)重新計(jì)算鍋爐受熱面管道受熱面積以及選用管道材質(zhì)的溫度適用范圍。

2）鍋爐技改施工過程嚴(yán)格按照DL 5190.2—2019《電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范 第2部分：鍋爐機(jī)組》相應(yīng)條款執(zhí)行[9]，質(zhì)量驗(yàn)收依據(jù)DL／T 5210.2—2018《電力建設(shè)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程 第2部分：鍋爐機(jī)組》相應(yīng)驗(yàn)評標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收[10]。

3）在流體冷卻間隔管末端加裝壁溫測點(diǎn)，有效監(jiān)測管道運(yùn)行溫度[11]，出現(xiàn)超溫報(bào)警及時(shí)處理。

4）優(yōu)化改造原煤倉錐形結(jié)構(gòu)為蝦米曲線結(jié)構(gòu)，盡可能地避免因結(jié)構(gòu)原因?qū)е旅簜}堵煤、棚煤而引起超溫[6]。

5）加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行過程的監(jiān)控，提高運(yùn)行人員操作燃燒調(diào)整水平，使其熟悉各類煤質(zhì)特點(diǎn)，具有在各負(fù)荷狀態(tài)下預(yù)判運(yùn)行參數(shù)發(fā)展趨勢的能力，防止超溫現(xiàn)象的發(fā)生。

6）檢修時(shí)擴(kuò)大鍋爐四管防磨防爆檢查范圍，做到逢停必檢，加強(qiáng)同類型管道材質(zhì)監(jiān)督檢測工作，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行消缺處理。