屏式過熱器管爆漏原因

劉鐵軍，李曉宇，丁曉川

(1.吉林省電力科學(xué)研究院，吉林 長春 130021;2.大唐長春第二熱電有限責(zé)任公司，吉林 長春 130031)

2010年2月3日，某熱電廠正在運(yùn)行的4號鍋爐因前屏過熱器管爆漏停爐。2月10日，在消缺處理后的啟爐過程中，前屏過熱器管再次爆漏停爐。連續(xù)2次爆管均發(fā)生在同一管屏，經(jīng)割管取樣全面檢查分析，確定爆漏原因?yàn)楣軆?nèi)沉積物嚴(yán)重堵塞，造成蒸汽流通截面減小而使傳熱效果惡化，在高溫?zé)煔獾淖饔孟聦?dǎo)致管內(nèi)局部堵塞部分處于長期超溫過熱狀態(tài)下運(yùn)行，金屬組織發(fā)生嚴(yán)重的珠光體球化，最終導(dǎo)致連續(xù)發(fā)生爆管泄漏事故。

4號鍋爐為HG－670/13.7－YM9型超高壓鍋爐，過熱蒸汽運(yùn)行溫度540℃、壓力13.7 MPa，至爆管前累計(jì)運(yùn)行29 334 h。前屏過熱器橫向布置共計(jì)20屏，屏間節(jié)距為650 mm，每屏由17根Φ38×4.5 mm U型管圈組成。其中外6圈材質(zhì)為T91，內(nèi)11圈材質(zhì)為12Cr1MoV，前屏重量流速為788 kg/(m2·s)。前屏過熱器管布置見圖1。

圖1 前屏過熱器布置及爆管位置示意圖

1 事故經(jīng)過

2月3日，4號機(jī)組運(yùn)行正常，負(fù)荷為135 MW，主汽流量為522 t/h，給水流量518 t/h，主汽溫度538℃、壓力13.08 MPa。12:42爐膛突然正壓293 Pa，燃燒急劇惡化。投入2號、4號大油槍穩(wěn)燃，鍋爐汽水偏差100 t/h，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制爐膛負(fù)壓正常。檢查四管泄漏裝置報(bào)警，鍋爐滑壓減負(fù)荷至100 MW，13:30機(jī)組滑停解列。

2月10日，4號爐重新啟。5:20當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至140 MW、主汽流量510 t/h時(shí)，爐膛突然正壓88 Pa，主給水流量與主汽流量偏差110 t/h，四管泄漏裝置報(bào)警，爐膛甲側(cè)有異音。12:53機(jī)組打閘停機(jī)、停爐。

2 現(xiàn)場檢查及運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.1 爆管宏觀檢查

第一次爆管泄漏位置在前屏過熱器甲側(cè)第5屏后數(shù)第11根管下彎頭背弧側(cè)，裂紋沿管壁縱向分布，長25 mm、寬3 mm。主裂紋附近平行分布眾多微裂紋 (見圖2)。爆口附近管徑無明顯脹粗，管內(nèi)壁附著3～4 mm厚沉積物。同屏第10根管下彎頭內(nèi)弧被泄漏蒸汽吹損減薄泄漏、向上1.2 m處直管斷裂并撕開呈片狀，邊緣明顯減薄，斷口附近管徑最大脹粗45.7 mm(見圖3)。鄰近管段無明顯脹粗。

第二次爆管泄漏位置在前屏過熱器甲側(cè)第5屏(2次泄漏在同一管屏)后數(shù)第13根管下彎頭背弧側(cè)，裂紋沿管壁縱向分布，長10 mm、寬2 mm，主裂紋附近平行分布眾多微裂紋 (見圖4)。鄰近第10、第11根管入口彎頭向上2 m處被蒸汽沖刷減薄泄漏，第13根管入口彎頭向上1 m處爆斷，第10根管出口彎頭爆斷后向上甩出成麻花狀 (見圖5)。

2.2 運(yùn)行原始數(shù)據(jù)

4號爐投產(chǎn)初期水質(zhì)曾嚴(yán)重超標(biāo)，2007年后痕量離子數(shù)據(jù)檢查，未發(fā)現(xiàn)水質(zhì)明顯異常。汽包曾長期處于高水位運(yùn)行，多次檢修發(fā)現(xiàn)汽包部分旋風(fēng)筒傾倒、頂帽錯(cuò)位等異?，F(xiàn)象，表明汽包出口汽水分離效果很差，導(dǎo)致過熱蒸汽帶水。第5、第6屏蒸汽分配量較大、流速較高，相對其它屏蒸汽攜帶量較大，是導(dǎo)致第5、第6屏形成大量沉積物的主要原因。

2007年5月檢查發(fā)現(xiàn)汽包乙側(cè)汽水線明顯偏高;2個(gè)旋風(fēng)筒傾倒，旋風(fēng)筒上頂帽及多孔板錯(cuò)位;3個(gè)百葉窗和頂板傾斜、兩側(cè)銷子脫落。

2009年4月檢查時(shí)2個(gè)旋風(fēng)筒傾倒、2個(gè)傾斜;旋風(fēng)筒上頂帽及多孔板錯(cuò)位，2塊多孔板傾斜。

2010年檢查，汽包乙側(cè)汽水線明顯偏高;6個(gè)旋風(fēng)筒傾倒、2個(gè)傾斜;6個(gè)多孔板傾斜，9個(gè)旋風(fēng)筒上頂帽歪斜。

調(diào)取爆管前鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù):負(fù)荷正常、燃燒穩(wěn)定，制粉和二次風(fēng)配風(fēng)系統(tǒng)正常，未發(fā)現(xiàn)影響燃燒的異常跡象。

3 割管取樣檢驗(yàn)

前屏過熱器割管取樣選擇爆管所在的第5屏，鄰近第4、第6屏及遠(yuǎn)離爆管位置的第10屏。使用切割機(jī)割管抽查下彎頭內(nèi)壁沉積物分布狀態(tài)，第4、第10屏管內(nèi)無沉積物;第6屏管內(nèi)沉積物較明顯，最大厚度約1.5 mm;爆管所在的第5屏共13圈管下彎頭均有嚴(yán)重的沉積物，其中沉積物最薄約2 mm、最厚11～12 mm(17圈管)，幾乎將管子堵死 (見圖6)。

3.1 管內(nèi)沉積物成分

前屏過熱器管內(nèi)沉積物化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)見表1。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)及金相分析

前屏過熱器管力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

前屏過熱器管金相分析結(jié)果見表3。

圖6 前屏過熱器甲側(cè)第5屏17根管下彎頭管內(nèi)沉積物形貌

表1 前屏過熱器管內(nèi)沉積物化學(xué)成分

表2 前屏過熱器力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 前屏過熱器金相分析結(jié)果

4 前屏過熱器爆漏原因

4.1 管內(nèi)大量沉積物

根據(jù)化學(xué)分析 (見表1)管內(nèi)沉積物主要成分為Fe2O3、P2O5及Na2O。高溫下過熱器管內(nèi)壁氧化層脫落或焊渣等殘留物滯留在下彎頭附近，不斷吸附蒸汽中含鹽類雜質(zhì)而形成的沉積物。4號爐采用磷酸三鈉處理爐水，正常爐水中含有(2～5 mg/L)、Na+(10～20 mg/L)和極微量、Cl－、、F－等物質(zhì)，其中鹽類雜質(zhì)會隨機(jī)械攜帶進(jìn)入蒸汽中，并在過熱器彎管流向轉(zhuǎn)變處沉積物的攔截下沉積，也可在汽輪機(jī)葉片上沉積發(fā)生積鹽現(xiàn)象 (2008年揭缸檢查曾發(fā)現(xiàn)葉片嚴(yán)重積鹽)。除Fe2O3外，管內(nèi)沉積物各種鹽類物質(zhì)含量基本符合爐水中鹽類含量的一般規(guī)律。由此推論沉積物中雜質(zhì)是隨蒸汽機(jī)械攜帶的爐水水滴不斷濃縮后形成。

4.2 珠光體組織嚴(yán)重球化

前屏過熱器工作環(huán)境十分惡劣，受爐膛高溫火焰的直接輻射，熱偏差較大、熱負(fù)荷較高，同時(shí)工質(zhì)行程長、流阻大、流量小，很容易超溫過熱。由于過熱器管長期在高溫下承受著內(nèi)壓對管子的切向應(yīng)力作用，發(fā)生金屬蠕變而導(dǎo)致管徑脹粗和金相組織轉(zhuǎn)變。4號爐前屏過熱器內(nèi)11圈管選用12Cr1MoV珠光體耐熱鋼，在高溫和應(yīng)力的長期作用下將發(fā)生珠光體球化組織轉(zhuǎn)變，其結(jié)果是金屬的蠕變極限和持久強(qiáng)度逐漸降低。

由于珠光體球化是金屬內(nèi)部原子遷移和擴(kuò)散過程，正常運(yùn)行時(shí)這種組織轉(zhuǎn)變發(fā)展速度極其緩慢，能夠保證金屬機(jī)械性能指標(biāo)長時(shí)間滿足運(yùn)行設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。當(dāng)某種原因造成過熱器管壁溫度超出設(shè)計(jì)限值而長期超溫運(yùn)行時(shí)，加快金屬的蠕變速度。隨著溫度的進(jìn)一步提高，加劇鋼中鐵素體和珠光體組織的轉(zhuǎn)變過程。一方面，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的合金元素將在固溶體和碳化物相之間發(fā)生重新分配，彌散分布在鐵素體中的合金元素以合金碳化物形態(tài)逐漸析出并聚集長大，造成鐵素體基體中合金元素貧化，破壞了鐵素體固溶強(qiáng)化的作用。另一方面，分布在滲碳體片層結(jié)構(gòu)中的合金碳化物處于不穩(wěn)定狀態(tài)，通過高溫下的原子遷移過程逐步向穩(wěn)定狀態(tài)的球狀形態(tài)析出，并繼續(xù)向更加穩(wěn)定的大球狀形態(tài)和晶界處聚集長大，其結(jié)果是珠光體區(qū)域隨著合金碳化物的不斷析出長大而逐漸消失，同時(shí)由于晶界處聚集著大量的合金碳化物而削弱了晶界的結(jié)合強(qiáng)度。上述現(xiàn)象將導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度、蠕變極限和持久強(qiáng)度不斷下降，最終發(fā)生爆管泄漏。

前屏過熱器連續(xù)2次爆漏均發(fā)生在第5屏后數(shù)11和13根管下彎頭背弧側(cè)，主裂紋附近縱向分布著眾多的微裂紋。根據(jù)金相分析結(jié)果 (見表3)，第5屏后數(shù)11、第13管圈及管內(nèi)沉積物最嚴(yán)重的第17管圈下彎頭金屬珠光體組織均已嚴(yán)重球化(4.5級)，同時(shí)在主裂紋附近沿晶平行分布著眾多的蠕變微裂紋。上述金屬組織特征表明，前屏過熱器2次爆漏均為長期超溫過熱所致。鄰近管圈爆斷為泄漏蒸汽沖刷減薄發(fā)生的二次爆漏。如甲側(cè)第5屏后數(shù)11根管下彎頭開裂后，泄漏蒸汽將鄰近第10管圈彎頭內(nèi)弧沖刷減薄泄漏，導(dǎo)致彎頭向上直管部分蒸汽流量減少，傳熱狀態(tài)急劇惡化，金屬壁溫短時(shí)間內(nèi)超出金屬相變溫度，金屬強(qiáng)度急劇下降、塑性急劇升高而發(fā)生短時(shí)超溫過熱爆管。從爆口附近發(fā)現(xiàn)相變組織、管徑明顯脹粗的結(jié)果證實(shí)了這一觀點(diǎn)。第4、第10屏管下彎頭金屬珠光體組織僅有輕度球化，表明管段沒有長期超溫過熱。鄰近第6屏管金屬珠光體組織中度球化，表明管子存在長期超溫過熱。

4號爐前屏過熱器累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不足3萬h，個(gè)別管子出現(xiàn)嚴(yán)重珠光體球化組織，表明這些管段長期處于超溫狀態(tài)下運(yùn)行。根據(jù)爐內(nèi)燃燒狀態(tài)分析，爆管所在第5屏位置并非高溫?zé)焻^(qū)，排除爐膛火焰偏斜和局部煙溫偏高的影響。對第5屏入口、出口聯(lián)箱及出口總聯(lián)箱進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，未見異物存在，排除聯(lián)箱內(nèi)異物堵塞而使個(gè)別管內(nèi)蒸汽流量減少、管壁傳熱效果惡化。

通過管內(nèi)沉積物檢查與金相分析結(jié)果比對發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)沉積物附著厚度與金屬珠光體球化組織嚴(yán)重程度成正比 (沉積物越多珠光體球化越嚴(yán)重)。

5 結(jié)論

a. 過熱器管內(nèi)沉積物的形成與管內(nèi)氧化皮脫落和焊渣等遺留物有關(guān)，蒸汽中帶水積鹽是形成氧化沉積物的主要原因。

b. 過熱器管金屬組織變化與管內(nèi)附著沉積物厚度有關(guān)。沉積物增多、管徑變小、傳熱效果惡化、珠光體球化組織嚴(yán)重。

c. 管壁溫度長期超溫過熱是導(dǎo)致前屏過熱器連續(xù)爆管的最終原因。