王力園
(大唐國(guó)際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司,廣東 潮州 515723)
潮州電廠1,2號(hào)600MW機(jī)組的鍋爐是由哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司引進(jìn)三井巴布科克能源公司(Mitsui Babcock Energy Limited)技術(shù)生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐,為單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐,型號(hào)為HG-1900/25.4-YM4。鍋爐燃燒方式為前后墻對(duì)沖燃燒,前后墻各布置3層三井巴布科克公司生產(chǎn)的低NOX軸向旋流燃燒器(LNASB),每層各有5只,前墻最下層5只燃燒器配置等離子點(diǎn)火裝置以取代點(diǎn)火油槍。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煙煤,校核煤種為山西晉北煙煤。水冷壁和包墻過熱器材質(zhì)為15CrMoG,屏式過熱器材質(zhì)為SA213-T91和SA213-TP347H,末級(jí)過熱器材質(zhì)為SA213-T91和SA213-TP347H,高溫再熱器材質(zhì)為12Cr1MoVG(入口段)、SA213-T91(中間段)和SA213-TP347H(出口段)。
2008-03-08,2號(hào)爐在啟動(dòng)后,帶正常負(fù)荷運(yùn)行只1天,即因?yàn)檫^熱器氧化皮剝落堵塞過熱器蒸汽管道(發(fā)生在屏過及末過處),導(dǎo)致鍋爐爆管。
在2號(hào)機(jī)組解列、鍋爐通風(fēng)冷卻后,檢修人員進(jìn)入爐內(nèi)檢查,發(fā)現(xiàn)第9屏(從爐左數(shù))14管(從外圍向內(nèi)圍數(shù))、11屏1管、22屏4管入口管段爆管,爆口位置全部位于T91與TP347H異種鋼焊口上方約10mm處的T91管道。爆口均呈喇叭口形狀,脹粗十分明顯,爆口邊緣鋒利,破口附近氧化層很薄,判斷為短期過熱超溫爆管,懷疑管道內(nèi)部有異物堵塞。將變色較嚴(yán)重的一根管道下彎割下,倒出大量氧化皮粉末,重量約為300 g(見圖1)。經(jīng)廣東及西安電科院金屬專家現(xiàn)場(chǎng)檢查,判斷為末過TP347H 管段內(nèi)部氧化皮剝落造成管道堵塞,管道局部短時(shí)間過熱發(fā)生爆管。
圖1 管內(nèi)清出的氧化皮
研究發(fā)現(xiàn):水蒸汽可以在高溫下分解成氫氣和氧氣,金屬在高溫水蒸汽中發(fā)生氧化,尤其是當(dāng)水蒸汽在570 ℃以上時(shí)對(duì)鋼材有較強(qiáng)的氧化性,在600~620 ℃時(shí),氧化速度加快,不銹鋼氧化層會(huì)迅速增厚。主要反應(yīng)化學(xué)方程式為:
西安熱工院對(duì)鍋爐鐵素體鋼(T23/T91)管樣的金相分析結(jié)果為:蒸汽側(cè)氧化皮微觀結(jié)構(gòu)形貌為雙層結(jié)構(gòu),外層為Fe3O4和少量Fe2O3,內(nèi)層為(FeCr)3O4。
鍋爐運(yùn)行中金屬管材氧化皮生成的速度與管壁溫度和管材材質(zhì)存在著以下關(guān)系:
(1) 同一種鋼材在不同溫度下,管壁溫度越高,氧化速度越快;
(2) 不同種鋼材在相同溫度下,鋼材抗氧化性能越好,氧化速度越慢。
氧化層剝離有2個(gè)主要條件:
(1) 多層氧化層達(dá)到一定厚度:不銹鋼0.1mm,鉻鉬鋼0.2~0.5mm (運(yùn)行2萬(wàn)~5萬(wàn)h可以達(dá)到);
(2) 金屬材料與氧化膜或氧化膜層間應(yīng)力達(dá)到臨界值。溫度變化頻繁、幅度大、變化率高是造成層間應(yīng)力大的主要原因。
此外,金屬材料本身的特性也是氧化層剝離的影響因素之一。實(shí)際上,氧化皮就是一種金屬化合物的混合物,其線膨脹系數(shù)α1一般在9.1×10-6K-1左右。和氧化皮相比較,線膨脹系數(shù)相差越大的金屬材料,其氧化皮就越易剝落。表1為幾種材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù),從表中數(shù)據(jù)可以看出,鐵素體T91鋼和奧氏體不銹鋼TP347管內(nèi)壁均易出現(xiàn)氧化皮剝落堵管,從而引起超溫爆管。
表1 幾種材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù)α1
(1) 氧化皮剝落造成受熱面超溫。剝落后的氧化皮一般集中在高溫段受熱面U型管底部彎頭或出口管段中,或在聯(lián)箱的節(jié)流孔部位,容易導(dǎo)致局部過熱,超溫爆管。
(2) 氧化皮的產(chǎn)生容易使主汽門卡澀,造成機(jī)組停機(jī)時(shí)主汽門無法關(guān)閉,威脅機(jī)組安全停運(yùn);并容易堵塞細(xì)小管道、疏水閥門、逆止門等,使系統(tǒng)產(chǎn)生潛在隱患。
(3) 流動(dòng)蒸汽帶出的氧化皮對(duì)汽輪機(jī)部件產(chǎn)生固體顆粒侵蝕,造成汽輪機(jī)噴嘴和葉片侵蝕損壞并污染水汽品質(zhì)。正常條件下,在過熱器中T91鐵素體上生長(zhǎng)的氧化皮是汽輪機(jī)發(fā)生固體顆粒侵蝕的最主要因素。
氧化皮剝落后,通常機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行較短時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)管壁局部過熱或爆管,但也有運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間爆管的。氧化皮剝落一般多發(fā)生在爐膛出口到水平煙道高溫段過熱器和高溫段再熱器部分。
此次發(fā)生的TP347H管道內(nèi)部氧化皮剝落造成爆管的原因,可能有以下幾方面。
(1) TP347H管為奧氏體不銹鋼管,是粗精鋼,其線膨脹系數(shù)α1為(1.7~1.9)×10-5K-1,而氧化物的線膨脹系數(shù)α1為9.1×10-6K-1。該材質(zhì)產(chǎn)生的氧化皮和基材膨脹系數(shù)差別較大,在管材溫度受擾動(dòng)時(shí)氧化皮很容易從金屬本體剝離。啟動(dòng)過程中升溫升壓速度較快,整個(gè)過程中平均溫升率為1.65 ℃/min;期間,由于其他原因造成汽機(jī)高壓旁路關(guān)閉,導(dǎo)致過熱汽溫有一個(gè)較快的溫升率(短時(shí)間超過3 ℃/min),這可能是造成氧化皮大量剝落的主要原因。
(2) 機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),因管道高溫受熱面有一定超溫過熱現(xiàn)象,加速了管壁高溫氧化,已形成一定量的氧化物附著在金屬內(nèi)壁上。
(3) 滑停中溫降速度控制不當(dāng),造成不銹鋼收縮快,氧化物收縮慢,氧化物受熱應(yīng)力作用而龜裂、剝落,且因蒸汽流量低,攜帶能力降低,最終氧化物沉積至管道下部。
(4) 由于煤質(zhì)、熱負(fù)荷的變化,在低負(fù)荷(60 %額定負(fù)荷及以下)下由于部分過熱器管子蒸汽流量偏低,流速偏差大,可能造成局部過熱而引起爆管。
(5) 啟動(dòng)中冷、熱態(tài)沖洗不夠,未將已剝落的氧化皮沖洗干凈。
根據(jù)2號(hào)機(jī)組鍋爐爆管的時(shí)間分析,管道內(nèi)部氧化皮大量剝落的時(shí)間可能發(fā)生在啟動(dòng)過程中。
治理思路重點(diǎn)考慮以下4步:減緩生成→控制剝落→加強(qiáng)檢查→及時(shí)清理。具體措施有以下方面。
(1) 啟動(dòng)中加強(qiáng)冷、熱態(tài)沖洗,嚴(yán)格控制冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質(zhì)指標(biāo)。要充分利用旁路系統(tǒng)進(jìn)行蒸汽系統(tǒng)的清洗,目的是保證氧化皮等雜質(zhì)被沖洗干凈,主要注意控制水質(zhì)中鐵和二氧化硅的含量。
(2) 嚴(yán)格控制鍋爐升溫、升壓速度,到汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、機(jī)組并網(wǎng)轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行前,溫升率不超過1.5℃/min。盡量避免使用減溫水,尤其是二級(jí)減溫水的使用。對(duì)于使用燃油或微油點(diǎn)火技術(shù)的機(jī)組,控制溫升率一般問題不大,但使用等離子點(diǎn)火技術(shù)的機(jī)組在點(diǎn)火初期應(yīng)加強(qiáng)調(diào)整。
(3) 并網(wǎng)轉(zhuǎn)干態(tài)后,控制主、再熱汽溫在530 ℃左右運(yùn)行不低于5 h,并盡量爭(zhēng)取高于500MW負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行(大流量沖洗)。
(4) 根據(jù)鍋爐給水水質(zhì)情況投入加氧工況,目的就是通過改變給水處理方式,在碳鋼表面形成雙層氧化膜。關(guān)鍵是嚴(yán)格控制給水陽(yáng)離子的電導(dǎo)率一般要低于0.1μs/cm ,當(dāng)給水陽(yáng)離子電導(dǎo)率大于0.3μs/cm時(shí),應(yīng)停止加氧處理。
(5) 機(jī)組正常運(yùn)行中,嚴(yán)格控制受熱面蒸汽和金屬溫度,嚴(yán)禁鍋爐超溫運(yùn)行;對(duì)地區(qū)負(fù)荷峰谷差較大、負(fù)荷落差較大的調(diào)峰機(jī)組,啟、停磨要控制好。此外,要加強(qiáng)對(duì)超溫考核的力度。
(6) 事故跳機(jī)情況下,在故障比較明確,不影響機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)的前提下,要盡快沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)接帶負(fù)荷,避免鍋爐受熱面金屬壁溫出現(xiàn)大幅度降低。
(7) 停爐超過3天時(shí),在鍋爐帶壓放水前、正常吹掃后應(yīng)密封爐膛;或因設(shè)備原因、檢修原因,可以通過自然通風(fēng)冷卻,但應(yīng)避免停爐后18 h內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。
(8) 加強(qiáng)檢查,及時(shí)清理。通過拍片、測(cè)厚、內(nèi)窺鏡等技術(shù)手段檢查管壁氧化皮剝落和堆積情況,及時(shí)割管清理。本著逢停必查的原則,停爐時(shí)間超過3天時(shí),都要對(duì)屏過、末過管屏進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)管道有變顏色等異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行檢查、處理。
(9) 增大停運(yùn)頻率,加強(qiáng)設(shè)備的正常維護(hù),延長(zhǎng)檢修周期。
氧化皮的生成速度取決于金屬管壁溫度,氧化皮的剝落主要取決于氧化皮與金屬基體的溫差及溫度變化速率??刂平饘俟鼙跍囟仁菧p緩氧化皮生成的關(guān)鍵。溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致氧化皮剝落的主要原因,是控制剝落的重點(diǎn)。加強(qiáng)檢測(cè)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)清理以保證機(jī)組在健康狀態(tài)下運(yùn)行。作為運(yùn)行人員來說,如何選擇金屬材料是決定不了的,但是可以通過運(yùn)行調(diào)整等措施,達(dá)到減少氧化皮的生成,減緩氧化皮的剝落速度,可以做到減少機(jī)組因氧化皮的原因造成高溫受熱面爆管,避免出現(xiàn)機(jī)組非停事故。自2008年爆管事故后,運(yùn)行人員嚴(yán)格執(zhí)行廠里規(guī)定的防治氧化皮措施,2臺(tái)600MW鍋爐未再發(fā)生過因氧化皮的原因造成的爆管停機(jī)事故。