直流鍋爐水冷壁管連續(xù)爆管分析

趙永寧，邵明星，劉蕊，邱玉堂

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.華電龍口發(fā)電有限公司，山東龍口265700）

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直流鍋爐水冷壁管連續(xù)爆管分析

趙永寧1，邵明星1，劉蕊1，邱玉堂2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.華電龍口發(fā)電有限公司，山東龍口265700）

對超臨界機(jī)組直流鍋爐水冷壁管連續(xù)爆管泄漏進(jìn)行宏觀分析、金相組織分析、機(jī)械性能檢測和X射線衍射檢測，原因為異物堵塞過熱爆管泄漏；深入分析了超臨界機(jī)組直流鍋爐水冷壁管異物產(chǎn)生的原因，提出傳統(tǒng)的檢修工藝對超臨界直流鍋爐不利影響的預(yù)防措施。

直流鍋爐；水冷壁；連續(xù)爆管

1 概述

某廠2號機(jī)組為600 MW超臨界發(fā)電機(jī)組，鍋爐型號為HG1913／25.4／571／569-YM3，是引進(jìn)英國技術(shù)生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運行燃煤直流鍋爐，鍋爐采用∏型布置、單爐膛、低NOx軸向旋流燃燒器前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、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)，2007年8月投運。

爐膛為全焊接密封膜式水冷壁，由下部螺旋環(huán)繞上升水冷壁（簡稱螺旋管圈）和上部垂直上升水冷壁（簡稱垂直管屏）兩個不同結(jié)構(gòu)型式組成，標(biāo)高46.659 m以下為傾角17.89°的螺旋管圈，標(biāo)高46.659 m以上為垂直管屏；螺旋管圈與垂直管屏之間由過渡集箱轉(zhuǎn)換連接，螺旋管圈從上部進(jìn)入過渡集箱，垂直管屏屏從過渡集箱中部連接。鍋爐后墻過渡集箱分左右集箱，每個集箱聯(lián)接63根螺旋管和191根垂直管屏。

下部螺旋管圈管材及規(guī)格為15CrMoG，φ38mm× 6.5 mm，上部垂直管屏管材及規(guī)格為15 CrMoG， φ31.8 mm×5.5 mm；后墻螺旋上升水冷壁管出口溫度371℃，壓力21.6 MPa。

2013年7月8日和2013年7月14日，鍋爐連續(xù)兩次發(fā)生后墻水冷壁爆管泄漏。

2 爆管檢測情況

2.17 月8日水冷壁爆管情況

機(jī)組從2013年5月8日開始大修，檢修期間對鍋爐燃燒器進(jìn)行改造，更換為低氮燃燒器，改造后燃燒中心上移1.5 m；加上其他換管，下部螺旋管圈水冷壁管共處理400多個焊口，機(jī)組啟動前對水冷壁管進(jìn)行酸洗。

鍋爐于7月2日開始點火啟動，2013年7月8日后墻水冷壁發(fā)生爆管泄漏，因其他原因，機(jī)組最高負(fù)荷只達(dá)到404 MW。

檢查發(fā)現(xiàn)，后水左數(shù)第100根、第178根垂直管屏向火面爆管泄漏，爆口部位標(biāo)高48.5 m（過渡集箱上部）。

后水左數(shù)第100根垂直管屏爆口長82 mm，寬30 mm，從鰭片焊縫管子側(cè)熔合線處沿軸向爆開；爆口中心處背火面厚度6.0 mm、向火面厚度3.9 mm；爆口端部向火—背火方向外徑脹粗量20.44%；距爆口端部上300 mm處向火—背火方向外徑脹粗量7.55%；距爆口端部下150 mm處向火—背火方向外徑脹粗量12.58%。

后水左數(shù)第178根垂直管屏爆口長50 mm，寬18 mm，爆口位管子中心沿軸向爆開，兩端分別有70 mm長裂紋，爆口中心處背火面厚度5.8 mm、向火面厚度4.4 mm，如圖1所示；爆口端部向火—背火方向外徑脹粗量15.09%；距爆口端部上300 mm處向火—背火方向外徑脹粗量6.29%。

后水左數(shù)第101根、第179根垂直管屏也有明顯脹粗，在爆口高度，左數(shù)第101根向火—背火方向外徑脹粗量5.35%。

2.27 月15日水冷壁爆管情況

2013年7月14日鍋爐點火啟動，7月15日后水發(fā)生爆管泄漏；機(jī)組最高負(fù)荷只達(dá)到398MW，后墻螺旋上升水冷壁管出口溫度381℃，壓力21.7 MPa。

檢查發(fā)現(xiàn)，后水左數(shù)第53根垂直管屏向火面爆管泄漏，爆口部位標(biāo)高48.5 m，爆口位于管子中心沿軸向爆開，爆口邊緣厚度3 mm，如圖2所示。

圖1 左數(shù)第178根后水冷壁垂直管屏爆口

圖2 左數(shù)第53根后水冷壁垂直管屏爆口

對現(xiàn)場宏觀檢查發(fā)現(xiàn)顏色異常的水管進(jìn)行射線檢查，左數(shù)第104、108根管彎頭存在異物，其中左數(shù)第104根管彎頭內(nèi)異物幾乎全部堵塞。割管檢查，左數(shù)第104根管彎頭內(nèi)異物約25 g，異物呈泥狀加片狀，全部為鐵磁性物質(zhì)，如圖3所示；左數(shù)第108根管彎頭內(nèi)有較少泥狀加片狀異物。對水冷壁管進(jìn)行檢查，又發(fā)現(xiàn)共33根水冷壁顏色異常，如圖4所示。2.3金相分析

圖3 左數(shù)第104根后水冷壁垂直管屏彎頭內(nèi)異物

圖4 爐膛內(nèi)水冷壁垂直管屏顏色異常管

后水左數(shù)第100根、第178根垂直管屏爆管，向火面組織為完全淬火的針狀馬氏體，屬于相變組織；背火組織為不完全淬火的針狀馬氏體和鐵素體，屬于不完全相變組織；左數(shù)第178根爆管向火面組織中產(chǎn)生沿晶裂紋，如圖5所示。

爆口標(biāo)高處，后水左數(shù)第101根向火面組織為針狀馬氏體和鐵素體，是完全相變組織，如圖6所示，背火面為正常的鐵素體和珠光體組織。

后水左數(shù)第100根、第178根爆口上部300 mm處，向火面組織為針狀馬氏體和鐵素體，是完全相變組織，如圖7所示，背火面為正常的鐵素體和珠光體組織，如圖8所示。

爆口上部300mm處，爐后水冷壁左數(shù)第179根，向火、背火面組織為正常的鐵素體和珠光體組織。

圖5 左數(shù)第178根爆口處向火面組織

圖6 左數(shù)第101根向火面組織

圖7 左數(shù)第178根向火面組織

圖8 左數(shù)第178根背火面組織

2.4硬度檢測

后水左數(shù)第100根、第178根向火面平均布氏硬度為302～332 HBS，向火面與鰭片間過渡區(qū)平均硬度為255～271 HBS；背火面平均硬度177～181 HBS。

后水左數(shù)第101根在爆口高度處，以及后水左數(shù)第100根和第178根爆口300 mm上部的向火面平均硬度為241～255 HBS。

正常組織區(qū)域平均硬度144～148 HBS。

2.5 常溫機(jī)械性能檢測

機(jī)械性能試驗試樣均取于爆口上部350 mm處，因管子直徑較小，只能從向火面和背火面各取一根試樣。

左數(shù)第100根爆口上部向火面樣品抗拉強(qiáng)度（Rm）為735 MPa，左數(shù)第178根爆口上部向火面樣品抗拉強(qiáng)度（Rm）為800 MPa，超過GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)上限（15 CrMoG鋼抗拉強(qiáng)度440～640 MPa）。

2.6 X射線衍射檢測

后水冷壁管（左數(shù)94、104根）內(nèi)壁氧化產(chǎn)物的主要物相為Fe2O3、Fe3O4及少量Fe（非晶物相不能檢出）。

3 分析討論

后水左數(shù)第100根、第178根垂直管屏向火面爆管泄漏，爆口部位標(biāo)高48.5 m，爆口中心處向火面厚度3.9～4.4 mm，表現(xiàn)出一定程度的脆性。

爆口端部外徑脹粗量15.09%～20.44%，后水是鰭片管，所以管子脹粗主要發(fā)生在向火—背火方向；爆口上下部分管子均發(fā)生較大的脹粗。后水左數(shù)第100根、第178根垂直管屏爆口及上下部分管子均發(fā)生較嚴(yán)重的脹粗，表明管子過熱嚴(yán)重。

后水左數(shù)第101根、第179根垂直管屏也有明顯脹粗，外徑最大脹粗量為6.29%，爆管附近管子也存在過熱。

后水左數(shù)第100根、第178根垂直管屏爆管，向火面組織為完全相變組織，背火組織為不完全相變組織，且第178根管向火面組織中產(chǎn)生沿晶裂紋。后水左數(shù)第100根、第178根爆口上部300 mm處，向火面組織為完全相變組織。向火面金相組織出現(xiàn)相變組織，且組織中產(chǎn)生沿晶裂紋，背火面金相組織也出現(xiàn)不完全相變組織，說明后水冷壁爆管發(fā)生短時過熱組織轉(zhuǎn)變［1］，向火面相變溫度超過15 CrMoG的 Ac3溫度（845℃），背火面相變溫度超過15 CrMoG的Ac1溫度（745℃）［2］。

后水左數(shù)第101根在爆口高度處，以及后水左數(shù)第100根和第178根在爆口上部300 mm處的向火面組織均出現(xiàn)完全相變組織，和爆口向火面與鰭片間的過渡區(qū)組織相類似，相變溫度超過15 CrMoG的Ac1溫度（745℃）；背火面為正常的鐵素體和珠光體組織。

硬度檢測結(jié)果與金相組織結(jié)果基本一致。

常溫機(jī)械性能檢測結(jié)果，左數(shù)第100根和第178根爆口上部向火面樣品抗拉強(qiáng)度超過GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)上限（15 CrMoG鋼抗拉強(qiáng)度440～640 MPa），表明管子存在嚴(yán)重過熱，發(fā)生嚴(yán)重的組織相變，爆管后形成針狀馬氏體淬火組織，有較高的強(qiáng)度。

由于管子存在嚴(yán)重過熱，爆管后形成針狀馬氏體淬火組織，管子材料脆性增加［2］；水冷壁管的鰭片結(jié)構(gòu)和小管徑結(jié)構(gòu)，對管子的快速塑性變形形成拘束，所以爆管表現(xiàn)為脆性。

機(jī)組搶修時，對宏觀檢查后水管子顏色異常的管子進(jìn)行射線檢查，檢查發(fā)現(xiàn)過渡集箱上左數(shù)第104、108根垂直管屏彎頭存在異物（標(biāo)高47 m），其中左數(shù)第104根管彎頭內(nèi)異物幾乎全部堵塞。割管檢查，左數(shù)第104根管彎頭內(nèi)異物約25 g，異物呈泥狀加片狀，全部為鐵磁性物質(zhì)；左數(shù)第108根管彎頭內(nèi)也有較少泥狀加片狀異物。

2號機(jī)組自2007年8月投產(chǎn)以來，鍋爐水冷壁管沒有出現(xiàn)過問題；2013年5月8日機(jī)組進(jìn)行大修，對鍋爐燃燒器進(jìn)行改造，更換為低氮燃燒器，加上其它換管，下部螺旋水冷壁管共處理了400多個焊口，因此引起水冷壁爆管的堵塞異物是今年機(jī)組大修中造成的可能性最大。

2013年大修中只對下部螺旋水冷壁管進(jìn)行處理，中間過渡集箱以上沒有改動；由于中間過渡集箱的結(jié)構(gòu)，重量較大的異物不容易到達(dá)垂直管屏彎頭［3］；引起水冷壁爆管的彎頭內(nèi)堵塞異物，呈泥片狀，全部為鐵磁性物質(zhì)，顆粒細(xì)小，也是很好的證據(jù)。

機(jī)組啟動前對水冷壁管進(jìn)行酸洗，根據(jù)酸洗的工藝，酸洗水溶液經(jīng)分離器進(jìn)行循環(huán)，酸洗水溶液水位應(yīng)該遠(yuǎn)高于過渡集箱上垂直管屏彎頭，酸洗不容易造成垂直管屏彎頭異物沉積堵塞。該廠1號機(jī)組水冷壁管于2012年大修后也進(jìn)行酸洗，沒有出現(xiàn)異常。

檢修中對鍋爐燃燒器進(jìn)行改造，更換為低氮燃燒器，改造后燃燒中心上移1.5 m，從而可能有利于異物在垂直管屏彎頭內(nèi)沉積堵塞。

對水冷壁管進(jìn)行檢查，又發(fā)現(xiàn)共33根水冷壁顏色異常，基本都集中在后水，所以后水內(nèi)介質(zhì)流動阻力不同于其他三面墻，也是后墻左右聯(lián)箱對應(yīng)垂直管屏彎頭內(nèi)沉積堵塞的一個影響因素。

4 結(jié)語

根據(jù)檢驗結(jié)果和分析，鍋爐后水管爆管原因是由于彎頭內(nèi)異物堵塞，導(dǎo)致后水爆管發(fā)生短時過熱組織轉(zhuǎn)變，相變溫度超過15 CrMoG的Ac3溫度（845℃），發(fā)生短時過熱爆管。同時大量水管，由于彎頭內(nèi)異物堵塞，發(fā)生過熱導(dǎo)致水冷壁顏色異常。造成堵塞異物的原因可能是傳統(tǒng)的檢修工藝切割管子產(chǎn)生切屑，在檢修、運行中沉積于彎頭處［4］。

建議加強(qiáng)機(jī)組檢修監(jiān)督，防止傳統(tǒng)的檢修工藝對超臨界直流爐的不利影響；鍋爐啟動前采取措施，對垂直管屏彎頭內(nèi)異物進(jìn)行清理，如大流量沖洗；對鍋爐燃燒器進(jìn)行改造后鍋爐的燃燒進(jìn)行深入分析。

［1］趙永寧，邱玉堂.火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督［M］.北京：中國電力出版社.2007.

［2］姜求志，王金瑞.火力發(fā)電廠金屬材料手冊［M］.北京：中國電力出版社.2004.

［3］王志剛，雷兆團(tuán)，張廣才.超臨界600 MW機(jī)組直流鍋爐動態(tài)特性研究［J］.熱力發(fā)電，2010，39（9）：14-20.

［4］王春昌.水冷壁流量偏差及其超溫爆管［J］.熱力發(fā)電，2007（10）：30-32.

Analysis on Leakage of Once-through Boiler Water Tube

ZHAO Yongning1，SHAO Mingxing1，LIU Rui1，QIU Yutang2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Huadian Longkou Power Generation Co.，Ltd.,Longkou 265700，China）

Tube leakage of once-through boiler water tube wall in supercritical units is analyzed by means of macrostructure，metallographic，mechanical properties and XRD detection.It is concluded that the tube leakage is caused by overheating which is due to foreign bodies block.On the basis of thorough analysis and research on the causes of foreign body into supercritical once-through boiler，some preventive measures are proposed to reduce the adverse effect of traditional repair technology.

once-through boiler；water wall；tube leakage

TK227

B

1007－9904（2015）08－0043－04

2015-05-21

趙永寧（1962），男，高級工程師／教授，從事火力發(fā)電廠金屬材料分析研究工作。