火電廠屏式過熱器爆管原因分析

張曉昱，孫 濤，柯 浩，王 強， 歐陽杰

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

1 故障概況

某火電廠600 MW機組超臨界參數(shù)變壓直流鍋爐，系一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、平衡通風(fēng)、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Ⅱ型鍋爐。于2008年6月1日投入運行，2010年1月28日發(fā)現(xiàn)屏式過熱器泄漏，緊急停爐，并對爆管及其附近管排進行檢查，發(fā)現(xiàn)爆口位于屏式過熱器前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根下彎頭內(nèi)弧側(cè)。該批屏式過熱器管材質(zhì)為TP347H鋼，規(guī)格為φ45 mm×11 mm，截至此次泄漏停機，累計運行時間僅為1萬余h。為掌握爆管原因，提高機組運行的安全性，通過外觀檢查以及割管采樣后進行的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析及金相組織檢驗，結(jié)合對屏式過熱器不同部位割管的內(nèi)表面觀察和歷史運行數(shù)據(jù)，對屏式過熱器爆管原因進行分析。

2 原因分析

2.1 外觀檢查

爆口處(見圖1、2)存在明顯的沖刷痕跡，泄漏點有3處，直徑分別為9 mm、2 mm、3 mm，為沖刷減薄所形成，該部位無明顯脹粗。另外，在內(nèi)弧側(cè)外表面還發(fā)現(xiàn)了沿管段軸向發(fā)展的裂紋，根據(jù)初步分析結(jié)果，在泄露的前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根彎頭處進行取樣(見圖3)。

圖1 爆管外觀(前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根下彎頭)

圖2 爆管漏點(前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根下彎頭內(nèi)弧側(cè))

圖3 前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根取樣位置(單位：mm)

對上述取樣進行詳細的外觀檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)生爆管的前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根的金相1及金相3試樣(彎頭爐后方向)內(nèi)壁存在嚴重的重皮，最大重皮厚度為2.8 mm,見圖4。此原始缺陷在應(yīng)力作用下沿徑向由內(nèi)壁向外壁擴展，最嚴重處已穿透整個壁厚，見圖5。

圖4 爆管內(nèi)壁重皮

圖5 貫穿壁厚的裂紋

根據(jù)上述情況，又對該批管段進行了擴大檢查，分別在相鄰位置的前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第3根、第5根、第6根取樣，未發(fā)現(xiàn)重皮缺陷。

2.2 化學(xué)成分分析

對不同部位割管的化學(xué)成分進行分析，分析結(jié)果見表1，其化學(xué)成分均符合ASME-SA213M標準中TP347H鋼的成分要求。

表1 爆管化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.3 金相組織檢驗

前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根下爆口邊緣彎頭內(nèi)弧側(cè)金相組織為奧氏體，晶界及晶內(nèi)可見細小碳化物析出，組織輕度老化，內(nèi)壁氧化皮厚度達70 μm，見圖6；爆口對側(cè)(彎頭外弧側(cè))金相組織為奧氏體，晶界及晶內(nèi)可見細小碳化物析出，組織輕度老化，見圖7。對前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根距彎頭爆口220 mm處的爐后及爐前方向分別取樣(圖3中金相2及金相3)進行金相檢驗，其金相組織與發(fā)生泄漏的彎頭處相比無明顯差異，見圖8。通過對相鄰位置左數(shù)第4屏下數(shù)第3根、第5根、第6根彎頭處進行了金相檢驗，其典型組織見圖9，為奧氏體組織，晶內(nèi)外均可見碳化物析出。

圖6 前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根彎頭爆口邊緣(內(nèi)弧側(cè))金相組織

圖8 前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根距彎頭爆口220 mm處(爐后方向)金相組織

圖9 前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第5根彎頭處金相組織

2.4 常溫拉伸試驗

對發(fā)生泄漏的前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根直管段及其相鄰管段前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第3根直管段分別取樣進行常溫拉伸實驗，實驗結(jié)果均符合ASME-SA213M標準中TP347H鋼的標準要求。力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2。

表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果

綜上可知，電廠5號爐屏式過熱器取樣的化學(xué)成分及常溫力學(xué)性能均符合相關(guān)標準要求；在微觀組織方面，爆口處金相組織與其他部位相比無太大差異，其金相組織均為奧氏體，晶內(nèi)外可見碳化物析出，組織輕度老化，該批管段在組織性能方面未出現(xiàn)明顯劣化現(xiàn)象。因此，該批TP347H鋼材質(zhì)量不是造成此次爆管的根本原因。而屏式過熱器左數(shù)第4屏下數(shù)第4根內(nèi)壁存在嚴重的重皮現(xiàn)象，此為原始制造缺陷，在機組運行過程中，該原始缺陷在應(yīng)力作用下形成初始裂紋，并沿徑向由內(nèi)壁向外壁擴展，最終導(dǎo)致穿透整個壁厚，引起此處管段漏氣，泄漏的蒸汽將臨近管段沖刷泄漏，臨近管段反之又沖刷到前屏左數(shù)第4屏下數(shù)第4根下彎頭處，并在其內(nèi)弧側(cè)形成多處泄漏點。

3 結(jié)論及建議

通過對屏式過熱器割管進行的化學(xué)成分分析、分析力學(xué)性能分析、金相組織檢驗及不同部位的內(nèi)外表面觀察，認為屏式過熱器個別部位存在嚴重的原始制造缺陷是造成此次事故停機的主要原因。據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來，隨著我國火力發(fā)電機組的超常規(guī)快速發(fā)展，在新建火力發(fā)電機組早期爐管失效案例中，由于原始制造缺陷所導(dǎo)致的失效事故所占比例呈明顯上升趨勢，1999年，由于原始缺陷導(dǎo)致的爆管事故占爐內(nèi)受熱面管失效案例的19.2%， 2007年該數(shù)據(jù)已上升至33.6%[1]，以上數(shù)據(jù)充分說明了此問題的嚴重性。因此，必須采取切實可行的措施加強對新建機組受熱面管的監(jiān)督抽查，保障機組安全運行。

目前，在新機組安全性能檢驗方面，結(jié)合相關(guān)標準和經(jīng)驗，建議重點進行以下工作：在制造階段介入，進制造廠進行制造工藝審核及現(xiàn)場抽檢；對可疑管段采用內(nèi)窺鏡進行內(nèi)表面檢查；增加受熱面管測厚范圍及數(shù)量；必要時進行割管檢查，另外對出現(xiàn)該問題的制造廠提高檢查比例[2]。通過上述工作的開展，可降低由于原始制造缺陷導(dǎo)致的爐管失效事故，在一定程度上提高機組安全運行的可靠性。

參考文獻：

[1] 李彥林．鍋爐熱管失效分析及預(yù)防[M].北京：中國電力出版社，2007．

[2] 張清峰，陳英濤．鍋爐四管泄露的規(guī)律及防范措施[J]．華北電力技術(shù)，2004(11)：47-51．