超超臨界機(jī)組高溫再熱器爆管原因分析

包海斌 郎惠珍 周 江 常 青

（1.國(guó)能浙江北侖第三發(fā)電有限公司，寧波 315040；2.國(guó)能鍋爐壓力容器檢驗(yàn)有限公司,北京 102200）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，社會(huì)對(duì)電能的需求也越來越大。在我國(guó)，煤炭清潔高效燃燒利用被提上日程，未來煤炭資源的發(fā)展方向必然是潔凈煤技術(shù)[1-2]。為了滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)電能的需求，同時(shí)順應(yīng)國(guó)家煤炭清潔高效燃燒利用的趨勢(shì)，火力發(fā)電廠往往選擇提升機(jī)組的裝機(jī)容量和運(yùn)行負(fù)荷。超超臨界機(jī)組具有良好的運(yùn)行靈活性和負(fù)荷適應(yīng)性，能夠降低發(fā)電成本、減少污染物排放，在火力發(fā)電廠得到了廣泛應(yīng)用[3]。機(jī)組負(fù)荷的增加提高了管道的服役溫度，導(dǎo)致管道長(zhǎng)期處于高溫、高壓的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而出現(xiàn)不同程度的損傷。隨著機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的增加，高溫再熱器管的運(yùn)行溫度不斷提高，加速了管道老化，容易引發(fā)爆管泄漏事故，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。DMV304HCu 耐熱不銹鋼具有較高的許用應(yīng)力、較強(qiáng)的組織穩(wěn)定性和抗高溫氧化性能，廣泛用于制造金屬壁溫不超過700 ℃的超超臨界鍋爐的過熱器和再熱器管。但是，在長(zhǎng)期服役過程中，DMV304HCu 過熱器和再熱器管可能因短時(shí)過熱和長(zhǎng)時(shí)過熱發(fā)生爆管。為保證超超臨界機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，降低高溫再熱器管爆管泄漏的概率，要深入分析高溫受熱器管失效的原因，并調(diào)整運(yùn)行管理策略。

1 事件概況

某發(fā)電廠6 號(hào)1 000 MW 超超臨界燃煤機(jī)組的鍋爐本體為超超臨界變壓運(yùn)行本生直流鍋爐。此鍋爐為Π 型鍋爐、單爐膛，燃煤鍋爐半露天布置，采用全鋼構(gòu)架和全懸吊結(jié)構(gòu)，使用前后墻對(duì)沖燃燒方式，一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣。高溫再熱器受熱面的材質(zhì)為DMV304HCu，規(guī)格為Φ57 mm×3.5 mm，最高使用溫度為664 ℃。機(jī)組于2008 年投產(chǎn)運(yùn)行，啟停共計(jì)48 次，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約10.14 萬h。2022 年10 月，高溫再熱器受熱面發(fā)生爆管，爆管位置為36 屏第17 根管道。為分析爆管原因，對(duì)36 屏第17 根包含爆口的上側(cè)管段和斷裂后的下側(cè)管段以及吹損泄漏位置進(jìn)行割管，從宏觀形貌、金相組織、硬度、化學(xué)成分、厚度、力學(xué)性能、掃描電鏡和能譜方面進(jìn)行檢測(cè)與分析。

2 失效分析

2.1 宏觀形貌分析

高溫再熱器爆管、吹損泄漏處的宏觀形貌及分析取樣位置標(biāo)識(shí)，如圖1 所示。上側(cè)斷口割管的爆口較大，呈喇叭口狀，為脆性斷口，屬于典型的由短時(shí)過熱引起的爆口，但是爆口邊緣減薄不明顯[4]。斷裂后的下側(cè)管段與爆口之間有部分管段缺失。在上側(cè)管段和下側(cè)管段中選取3 份試樣，編號(hào)為#1、#2 和#3。在吹損泄漏位置選取未發(fā)生變形的部位制備對(duì)比試樣，編號(hào)為#4。

圖1 斷口宏觀形貌及取樣分析位置

2.2 光譜檢測(cè)

通過檢測(cè)和分析管道的化學(xué)成分，檢驗(yàn)管道材料是否符合條件，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，管道的主要元素成分符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017/XG1—2019）中的化學(xué)成分要求，樣管材質(zhì)未見異常。

表1 主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

2.3 壁厚與硬度檢測(cè)

通過測(cè)量#3 試樣、#4 試樣截面的壁厚，分析管段的壁厚減薄情況。檢測(cè)結(jié)果顯示，#3 試樣、#4 試樣的迎煙側(cè)均存在局部減薄，其壁厚值較小。#3 試樣的最小壁厚為2.90 mm，#4 參照試樣的最小壁厚為3.34 mm，均滿足《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面監(jiān)督技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 939—2016）的要求。

采用布氏硬度計(jì)檢測(cè)#3 試樣、#4 試樣的橫截面硬度。檢測(cè)結(jié)果顯示，#3 試樣、#4 試樣的硬度值均處于173 ～204 HBW 范圍內(nèi)，滿足《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》（DL/T 438—2016）的要求，但#3 試樣、#4 試樣的最低硬度點(diǎn)均位于迎煙側(cè)。

2.4 力學(xué)拉伸試驗(yàn)檢測(cè)

在#3、#4 取樣位置旁各割取2 份力學(xué)性能檢測(cè)試樣，分別編號(hào)為#3-1、#3-2 和#4-1、#4-2，然后使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。4 個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度均滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017/XG1—2019）的要求，但斷口延伸率低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 常溫拉伸性能檢測(cè)

2.5 金相顯微組織分析

為了對(duì)比爆管處與正常管道迎煙側(cè)和背煙側(cè)金相組織的不同，使用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析。試樣的金相組織形貌，如圖2 所示。爆口處#1 試樣的金相組織為奧氏體組織，在晶界處分布大量析出相和脫落后的孔洞，少量分布在晶內(nèi)[5]。#4 試樣迎煙側(cè)金相組織老化較為嚴(yán)重，有尺寸較大的析出相，晶界上有少量析出相和孔洞。通過對(duì)比可看出，所有組織均出現(xiàn)不同程度的老化，爆口處金相組織老化最為嚴(yán)重，迎煙側(cè)金相組織老化程度比背煙側(cè)嚴(yán)重。

圖2 試樣金相組織形貌

3 原因分析

電廠曾對(duì)該機(jī)組進(jìn)行增容改造，裝機(jī)容量由設(shè)計(jì)的1 000 MW 增加至1 050 MW，但是未對(duì)管道進(jìn)行相應(yīng)改造，導(dǎo)致管道長(zhǎng)期在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。通過監(jiān)測(cè)管道的壁溫可知，在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，即使?fàn)t頂大罩內(nèi)的管壁未超溫，爐內(nèi)的實(shí)際管壁溫度也已經(jīng)超過材料的最高使用溫度。高負(fù)荷下爐內(nèi)、外管壁溫度變化曲線，如圖3 所示。其中，30-17、32-17 分別表示位于#6 鍋爐中第30 屏第17 根和第32 屏第17 根的高溫再熱器管。

圖3 高負(fù)荷下爐內(nèi)、外管壁溫度變化曲線

由圖3 可以看出，在高負(fù)荷條件下同一根管道的爐內(nèi)實(shí)際壁溫遠(yuǎn)高于爐外壁溫，且30-17 的爐內(nèi)實(shí)際壁溫最高（670 ℃左右），說明在高負(fù)荷條件下高溫再熱器管一直處于超溫狀態(tài)。結(jié)合試樣管道硬度、厚度、力學(xué)性能以及金相顯微組織的檢測(cè)結(jié)果可以推斷出，爐內(nèi)管道在高負(fù)荷條件下長(zhǎng)期超溫運(yùn)行，導(dǎo)致金相組織嚴(yán)重老化，較多析出相聚集，且迎煙側(cè)金相組織較背煙側(cè)老化嚴(yán)重，材料塑性降低。

不同負(fù)荷下同根管道不同位置的溫度分布曲線，如圖4 所示。由圖4 可以看出：不同負(fù)荷下同一根高溫再熱器管相同位置的管壁溫度不同；同一負(fù)荷條件下同一根管子不同位置的管壁溫度不同，在E點(diǎn)達(dá)到最高壁溫。

圖4 不同負(fù)荷下同根管道不同位置的溫度分布曲線

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，爆口呈喇叭口狀，部分管道爆裂缺失，為短時(shí)超溫爆管的最典型特征[6]。爆管原因推斷為在高負(fù)荷運(yùn)行條件下爐內(nèi)的管壁溫度遠(yuǎn)高于爐外，爐內(nèi)管子最高壁溫點(diǎn)的溫度超過材料的最高使用溫度，導(dǎo)致局部過熱，進(jìn)而發(fā)生爆管。

4 結(jié)語

結(jié)合檢驗(yàn)結(jié)果和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，得出高溫再熱器爆管的主要原因?yàn)闄C(jī)組長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，使高溫再熱器管長(zhǎng)期處于超溫狀態(tài)，導(dǎo)致管子金相組織老化，較多析出相聚集，且管子迎煙側(cè)金相組織較背煙側(cè)老化嚴(yán)重，材料塑性降低。爆管的直接原因?yàn)樵诟哓?fù)荷運(yùn)行條件下爐內(nèi)管道最高壁溫點(diǎn)的管壁溫度超過材料的最高使用溫度，導(dǎo)致局部過熱進(jìn)而引發(fā)爆管。

針對(duì)本次爆管提出建議：合理設(shè)置運(yùn)行負(fù)荷，避免機(jī)組超溫、超負(fù)荷運(yùn)行，維持鍋爐的安全運(yùn)行狀態(tài)；加強(qiáng)受熱面質(zhì)量檢測(cè)，監(jiān)測(cè)和更換存在缺陷或管壁減薄的管段；加速高溫再熱器管的更換技改項(xiàng)目，提高材料的最高使用溫度[7-9]。