高溫高壓鍋爐屏式過熱器爆管原因分析與故障處理

楊繼銳,冀向昆

1 系統(tǒng)簡介

邯鋼邯寶熱電廠由3臺60 MW、沖動式、高溫、高壓、單缸、調(diào)整抽氣、凝氣式汽輪機和3臺260 t/h純燒煤氣的高溫高壓鍋爐組成。鍋爐采用的是杭州鍋爐有限公司制造的高溫高壓、單汽包、自然循環(huán)、集中下降管、采用全膜式壁前吊后支結(jié)構(gòu)形式倒“U”型布置的煤氣鍋爐，鍋爐型號為NG--260/9.8--Q型，過熱器出口額定壓力為9.8 MPa，過熱器出口額定溫度為540℃。1#鍋爐自2008年10月投運以來，一直運行正常。自2016年2月16日到2016年3月13日，屏式過熱器連續(xù)發(fā)生3次爆管事故，嚴(yán)重影響鍋爐安全穩(wěn)定運行。

2 事故經(jīng)過概述

2.1 屏式過熱器第一次爆管

2016年2月16日，發(fā)現(xiàn)1#鍋爐屏式過熱器有泄露噪音，初步確認(rèn)為屏式過熱器爆管。隨后進(jìn)行停爐冷卻，車間技術(shù)人員和檢修人員進(jìn)入爐膛查找事故原因，發(fā)現(xiàn)屏式過熱器“U”型彎處有三根管道爆管。破口有如下特征：一是破口長約20～30 mm，破口處有鼓包現(xiàn)象，破口斷面粗糙，不平整，破口邊緣是鈍邊，并不鋒利；二是破口附近有眾多的平行于破口的軸向裂紋。根據(jù)破口特征，認(rèn)為是屏式過熱器長期過熱所致，經(jīng)高壓高速汽流沖刷導(dǎo)致壁厚變薄，在700℃高溫?zé)煔獾暮婵鞠聦?dǎo)致過熱爆管。隨后對有破口的“U”型屏式過熱器管束進(jìn)行了檢修更換，管束更換完畢后，對焊口進(jìn)行了探傷，鍋爐水壓實驗合格后，啟動鍋爐正常運行。

2.2 屏式過熱器第二次爆管

2016年3月4日，發(fā)現(xiàn)1#鍋爐屏式過熱器有泄露噪音，認(rèn)為是屏式過熱器爆管。隨后進(jìn)行停爐冷卻，技術(shù)人員再次進(jìn)入爐膛查找事故原因，發(fā)現(xiàn)又是屏式過熱器有四根管道爆管，其中上次檢修更換的兩根新管也在“U”型彎又發(fā)生了爆管事故，破口特征和第一次爆管時的相同。但令人疑惑不解的是，距第一次檢修運行僅20天，是什么原因?qū)е碌钠潦竭^熱器頻繁爆管呢？工程技術(shù)人員認(rèn)為是屏式過熱器在700℃左右的高溫下運行，過熱器晶體組織發(fā)生了變化，耐溫性能下降，導(dǎo)致爆管。隨后又對“U”型彎爆管的管道進(jìn)行檢修更換，管束更換完畢后，對焊口進(jìn)行了探傷，鍋爐水壓實驗合格后，啟動鍋爐正常運行。

2.3 屏式過熱器第三次爆管

2016年3月13日，距第二次檢修完運行不到72 h,發(fā)現(xiàn)1#鍋爐屏式過熱器又發(fā)生爆管事故。結(jié)果又是屏式過熱器有四根管道爆管，其中上次檢修更換的四根新管也在“U”型彎又發(fā)生了爆管事故，破口特征和第一次爆管時的相同。這充分說明了前兩次分析的原因是不充分的，經(jīng)專家診斷，查找資料分析原因，擴大故障查找范圍，決定對12Cr1MoVG屏式過熱器管束進(jìn)行組織晶體結(jié)構(gòu)的化驗，同時隔開集箱手孔，用內(nèi)窺鏡檢查屏式過熱器集箱的擋板，發(fā)現(xiàn)集箱擋板焊口開裂，擋板發(fā)生傾倒。

3 解決問題的措施

3.1 對12Cr1MoVG屏式過熱器管道試樣進(jìn)行分析

3.1.1 宏觀分析

用砂輪截取3個試樣部分進(jìn)行宏觀觀察，其形貌如圖1所示。

圖1 試樣截面形貌

觀察所取三個試樣橫截面形貌，并測量其管壁尺寸，未發(fā)現(xiàn)存有較大差異，外觀尺寸見表1。

表1 12Cr1MoVG鍋爐管尺寸

因1#過熱器試樣管不是爆裂處缺陷試樣，不足以說明其問題，若壁厚存在較大差異，鍋爐管長時間處于高溫蒸汽循環(huán)工作狀態(tài)，其鍋爐管珠光體組織會完全球化（鋼管老化），且在高溫循環(huán)蒸汽長時間腐蝕的狀態(tài)下，導(dǎo)致鍋爐管堵塞引起爆裂。

3.1.2 光學(xué)顯微鏡分析

從過熱、原樣、未過熱試樣分別取橫向試樣，經(jīng)制樣、磨光、拋光、腐蝕，用光學(xué)顯微鏡觀察過熱、原樣、未過熱試樣組織，對非金屬夾雜物、顯微組織和珠光體球化程度等進(jìn)行分析。

表2為依據(jù)GB/T10561-2005的夾雜物評級結(jié)果，可見硫化物夾雜含量處于較低水平，最高為1.0級，因此可排除由硫引起的鋼管熱脆的可能性。同時未發(fā)現(xiàn)其它類型的大尺寸夾雜物的存在，可以說明夾雜物對該過熱管爆管的可能性很小。

表3為顯微組織、珠光體球化級別評定結(jié)果。

表2 夾雜物評級結(jié)果

表3 顯微組織、珠光體球化評級結(jié)果

3.1.3 分析與討論

由上述夾雜物分析結(jié)果可以排除由硫化物引起鋼管熱脆的可能性。宏觀觀察可發(fā)現(xiàn)壁厚不存在較大的差異，也可排除。高溫下發(fā)生珠光體球化是由于片狀是一種不穩(wěn)定的組織，當(dāng)溫度較高時，原子活動力增強，擴散速度增加，片狀滲碳體便逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，再集聚成大球團(tuán)。長大的碳化物以球狀均勻分布于鐵素體晶界和晶內(nèi)，從而使該處的屈服點、抗拉強度、沖擊韌度、蠕變強度和持久強度下降。

3.2 屏式過熱器集箱內(nèi)部檢查

用內(nèi)窺鏡檢查屏式過熱器集箱的擋板，發(fā)現(xiàn)集箱擋板焊口開裂，擋板發(fā)生傾倒。把12組屏式過熱器集箱在擋板處逐個割開，發(fā)現(xiàn)第一組、第二組、第四組集箱擋板一側(cè)傾倒，二組、三組、第八組、第九組、第十組集箱一側(cè)擋板出現(xiàn)不同程度裂縫。（擋板實際位置見圖2）

圖2 屏式過熱器集箱內(nèi)擋板位置

4 原因分析

1#鍋爐屏式過熱器集箱擋板鍋爐廠家安裝時只是單面焊接，擋板焊接強度低。運行后鍋爐啟停次數(shù)頻繁，擋板在不同溫度場中發(fā)生熱脹冷縮，使擋板在焊縫處產(chǎn)生熱交變應(yīng)力，當(dāng)交變應(yīng)力大于焊縫處的屈服極限應(yīng)力時，導(dǎo)致焊口開裂，使擋板前后產(chǎn)生壓差，隨著運行時間的增加，擋板在交變應(yīng)力和前后壓差不斷增大時發(fā)生傾倒；造成過熱蒸汽在集箱內(nèi)部發(fā)生“短路”，破壞了蒸汽的正常循環(huán)，過熱器換熱管束蒸汽流量減少，甚至在屏式過熱器“U”型彎處出現(xiàn)不流通的“過熱蒸汽停滯區(qū)”，使屏式過熱器換熱管在“U”型彎處換熱不充分，換熱管在高溫?zé)煔庵幸虺瑴囟l(fā)生爆管事故。（屏式過熱器蒸汽流程如圖3所示）

圖3 屏式過熱器蒸汽流程圖

高溫過熱器管在高溫高壓蒸汽循環(huán)時，鋼管內(nèi)壁長時間處于高溫高壓狀態(tài)，屏式過熱器晶體組織發(fā)生變化，珠光體完全球化（鋼管老化），珠光體完全球化是管道爆裂根本原因。

5 處理方法

5.1 屏式過熱器擋板修復(fù)和集箱焊接

把12組屏式過熱器集箱在擋板處用氣焊逐個割開，對12組屏式過熱器24個擋板進(jìn)行檢查更換；焊接擋板結(jié)束后，對12組集箱24個破口進(jìn)行打磨，焊接前對集箱進(jìn)行預(yù)熱處理，焊口用R31氬弧焊絲打底,再用R317焊條一次焊接成功，焊口進(jìn)行熱處理且探傷全部合格。集箱擋板恢復(fù)正常，集箱焊接質(zhì)量符合要求。

5.2 更換屏式過熱器換熱管束

對屏式過熱器集箱擋板傾倒的兩組過熱器換熱管進(jìn)行徹底更換，新管由鍋爐廠家提供，確保不再發(fā)生因換熱管晶體組織發(fā)生變化，珠光體完全球化而發(fā)生爆管事故。換熱管更換完畢后，鍋爐水壓試驗合格，點火升溫升壓，鍋爐能夠正常穩(wěn)定運行。

6 結(jié)束語

通過對1#鍋爐屏式過熱器進(jìn)行正確合理的檢修，截至2017年10月，已連續(xù)穩(wěn)定運行15個月，沒有發(fā)生屏式過熱器爆管的現(xiàn)象；說明1#鍋爐制定的檢修方案和檢修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是可行的。本次事故原因分析與故障處理的方法和過程，要求專業(yè)技術(shù)人員在解決問題時真正找到故障發(fā)生的內(nèi)在原因。給出的這些問題的處理方法與解決過程，既有普遍性又具有自身的特點，對于國內(nèi)同類型鍋爐用戶有一定的借鑒意義。

[1]車得福．鍋爐[M]．西安:交通大學(xué)出版社，2008.（01）.

[2]白鳳臣．工業(yè)鍋爐設(shè)備與運行[M．北京:機械工業(yè)出版社，2016.（12）.

[3]程紹兵．鍋爐專業(yè)基本知識[M]．北京:中國電力出版社，2015．（5）.