超超臨界鍋爐水冷壁泄漏原因分析

姚煒，屈國(guó)民，趙興龍

(1.華能岳陽(yáng)發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南岳陽(yáng)414000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

超超臨界鍋爐水冷壁泄漏原因分析

姚煒1，屈國(guó)民2，趙興龍1

(1.華能岳陽(yáng)發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南岳陽(yáng)414000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

某超超臨界鍋爐發(fā)生水冷壁泄漏。通過(guò)對(duì)同類型鍋爐的調(diào)研和此次泄漏原因現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)分析，查出此次水冷壁泄漏的主要原因是鍋爐本身存在不足，調(diào)節(jié)與控制困難，致使水冷壁管子在中間混合集箱入口區(qū)域產(chǎn)生熱疲勞，在最薄弱的焊縫熔合線開(kāi)裂并擴(kuò)展，導(dǎo)致泄漏。

超超臨界鍋爐；水冷壁；裂紋；熔合線

1 機(jī)組概況

某公司6號(hào)鍋爐為600 MW的HG－1795/26.15－PM4型超超臨界鍋爐。該爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用π型布置、單爐膛、水平濃淡燃燒器低NOx分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切圓燃燒方式，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)、一次中間再熱。水冷壁管在鍋爐中、下部采用 Φ28.6×6.4(材質(zhì)15CrMoG)的內(nèi)螺紋管，共1 584根，每側(cè)墻396根。該鍋爐于2012年8月投入運(yùn)行，至2015年12月，累計(jì)運(yùn)行約17 000 h。

2 缺陷簡(jiǎn)述

2.1 泄漏情況

2015年12月，6號(hào)鍋爐發(fā)生水冷壁泄漏，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)50 m左右標(biāo)高中間混合集箱入口處水冷壁前墻和后墻兩面水冷壁共5根管子泄漏，如圖1所示。泄漏口位于安裝焊縫的下熔合線部位。

圖1 水冷壁管泄漏部位

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)首先對(duì)爆口的宏觀檢查，其次對(duì)泄漏管附近的水冷壁管進(jìn)行了MT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)前水冷壁爆口附近共計(jì)檢查28根管子，12根管子在熔合線位置有裂紋；后水冷壁共計(jì)檢查27根水冷壁管，25根在熔合線上存在裂紋，檢查同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫附近的母材存在細(xì)微裂紋。

對(duì)6號(hào)鍋爐此標(biāo)高區(qū)域水冷壁對(duì)接焊口部位進(jìn)行全面的磁粉檢測(cè)。共計(jì)檢查焊口1579道，其中發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂的水冷壁管278根 (包括母材表面存在裂紋的管子)，其中母材開(kāi)裂的管子70根，占比4.4%；熔合線開(kāi)裂的水冷壁管子243根，占比為15.4%，見(jiàn)表1。

表1 水冷壁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋情況

3 取樣分析

對(duì)前水冷壁第88—90根管子取樣進(jìn)行分析，其結(jié)果如下:

1)對(duì)第88，89根原始泄漏口及其下端直管進(jìn)行取樣分析，原始泄漏口附近母材化學(xué)成分符合GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 原始泄漏口母材化學(xué)成分分析 %

2)對(duì)第88，89，90根原始泄漏口背面取樣力學(xué)性能測(cè)試，以焊縫為中心縱向取樣，取水冷壁管背火面，檢驗(yàn)結(jié)果基本符合GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 母材及焊縫力學(xué)性能分析

3)對(duì)焊縫和兩端母材進(jìn)行硬度檢測(cè)，焊縫硬度平均值為180—260 HV，上母材的硬度值平均值為168HB，母材的硬度值平均值為160—180 HV，符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》要求:焊縫硬度不超過(guò)母材布氏硬度值＋100 (HBW)，合金總含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270 HBW，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 母材及焊縫硬度分析 HB

4)在原始泄漏口端部和下母材遠(yuǎn)離焊縫部位取金相試樣，進(jìn)行金相分析。母材均為鐵素體＋珠光體，組織正常；焊縫金相組織為鐵素體＋珠光體，個(gè)別焊縫位置存在少量馬氏體組織，組織基本正常。管子裂紋均橫向密集分布，在熔合線位置開(kāi)裂最大。第88根管泄漏區(qū)域附近存在2處開(kāi)裂，第89根管泄漏區(qū)域附近存在3處開(kāi)裂，裂紋內(nèi)部存有大量腐蝕產(chǎn)物；第90根熔合線存在裂紋，裂紋內(nèi)部存有腐蝕產(chǎn)物；如圖2—3所示。裂紋宏觀及微觀形貌均具有熱疲勞裂紋特征。

圖2 第88根原始泄漏口附近裂紋

圖3 第89根原始泄漏口附近裂紋

4 泄漏原因分析

1)取樣分析結(jié)果顯示，原始泄漏處管子母材元素成分、力學(xué)性能、焊縫和母材硬度均正常，材質(zhì)合格；金相檢查母材組織正常；焊縫金相組織個(gè)別焊縫個(gè)別位置存在少量馬氏體組織外，基本正常；裂紋宏觀及微觀形貌均具有熱疲勞裂紋特征。

2)某公司生產(chǎn)的HG1795/26.15－PM型超超臨界參數(shù)鍋爐采用了垂直管圈，其水冷壁水循環(huán)流速約為螺旋管圈水冷壁的一半〔1〕，低負(fù)荷運(yùn)行質(zhì)量流速更低，熱負(fù)荷的敏感性大。且垂直管圈水冷壁入口節(jié)流孔圈按滿負(fù)荷設(shè)計(jì)，滿負(fù)荷時(shí)能確保水冷壁質(zhì)量流速與熱負(fù)荷匹配；低負(fù)荷時(shí)，通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料 〔1〕和增加監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，連續(xù)監(jiān)控試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況表明:鍋爐在運(yùn)行中水冷壁溫度場(chǎng)不均衡，燃燒熱負(fù)荷分布與管內(nèi)介質(zhì)流量不匹配，水冷壁相鄰管溫度梯度過(guò)大，產(chǎn)生較大熱應(yīng)力；機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，過(guò)熱度參數(shù)波動(dòng)和速率明顯過(guò)高，出口介質(zhì)溫度大幅、快速波動(dòng)，金屬壁溫出現(xiàn)交變情況；該類型鍋爐為墻式切圓設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)的范圍較小，溫度控制較難，低負(fù)荷條件下，水冷壁區(qū)域容易超溫。

3)對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中存在較為頻繁的調(diào)峰、啟停爐和轉(zhuǎn)態(tài)等現(xiàn)象；由于超超臨界鍋爐水冷壁過(guò)渡段屬于爐膛高溫部分〔2－4〕，頻繁的啟停與調(diào)峰使其在超臨界直流、近臨界直流、亞臨界直流和啟動(dòng)階段頻繁轉(zhuǎn)換，造成部分受熱面管子出現(xiàn)高低負(fù)荷頻繁轉(zhuǎn)換，加劇了管子溫度交變情況；導(dǎo)致控制要求高，運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求不匹配，影響了管子的壽命。

5 結(jié)論

該類型鍋爐垂直水冷壁、墻式切圓燃燒特點(diǎn)，以及節(jié)流孔布置不當(dāng)，加之調(diào)節(jié)與控制困難等原因，致部分區(qū)域水冷壁管存在過(guò)熱及熱疲勞損傷，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，在焊縫熔合線等最薄弱萌生裂紋并擴(kuò)展致泄漏。

〔1〕葉江明.鍋爐原理 〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

〔2〕李彥林.鍋爐熱管失效分析及預(yù)防 〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

〔3〕吳承建，陳同良，強(qiáng)文江.金屬材料學(xué) 〔M〕.北京:治金工業(yè)出版社，2001.

〔4〕劉尚慈.火力發(fā)電廠金屬斷裂與失效分析 〔M〕.北京:水利電力出版社，1992.

〔5〕中華人民共和國(guó)國(guó)家能源局.火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程: DL/T438—2009〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

Analysis on water wall leakage causes of ultra supercritical boiler

YAO Wei1，QU Guomin2，ZHAO Xinglong1
(1.Huaneng Hunan Yueyang Power Generation Co.，Ltd，Yueyang 414000，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Water wall leakage of a ultral supercritical boiler was occurred in November 2015.In order to find out the causes of this leakage，site inspections and experimental analysis were carefully conducted，together with investigations on the same type boilers in the other thermal power plants.It had been concluded that the design flaws inherent to this type boilers were the main reason for the leakage.Due to difficulties in adjusting and controlling，thermal fatigue occurred at the entrance area of water wall intermediate mixed heads，which then lead cracking and leakage at the weld-fusion line because this area was the weakest site.

ultra supercritical boiler；water wall；crack，weld－fusion line

TK223.31

B

1008－0198(2016)06－0076－03

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.021

2016－06－14 改回日期:2016－07－28