超臨界直流鍋爐高溫過熱器泄漏原因分析

朱道華，盧賓文

(安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234101)

0 概述

某DG1900/25.4-Ⅱ2型鍋爐為單爐膛、∏型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型復(fù)合變壓運(yùn)行本生直流鍋爐，由東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司與日本巴布科克-日立鍋爐有限公司合作設(shè)計(jì)、聯(lián)合制造。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 913 t/h，過熱器出口蒸汽壓力25.4 MPa，過熱器出口蒸汽溫度571 ℃。

1 事件經(jīng)過

2017-08-18，運(yùn)行人員統(tǒng)計(jì)鍋爐日補(bǔ)水量，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)水明顯增加約50 t。對鍋爐受熱面進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)爐左后屏過熱器和高溫過熱器之間區(qū)域的水冷壁有異音。鍋爐右視圖如圖1所示。

8月19日停運(yùn)機(jī)組，燜爐24 h后啟動(dòng)A引風(fēng)機(jī)對爐膛進(jìn)行冷卻。8月21日打開人孔門觀察，初步判斷高過爐自左向右數(shù)第5，6排過熱器管排部分管道泄漏。8月22日搭設(shè)腳手架進(jìn)行檢修，25日泄漏及減薄管道更換完成，機(jī)組恢復(fù)備用。

2 檢查情況

2.1 外觀檢查及測試

進(jìn)入爐膛內(nèi)部進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)高溫過熱器入口管道左數(shù)第5排4根管道泄漏(爐前外圈向內(nèi)數(shù)第4，8，9，10根)，泄漏部位吹損減薄痕跡明顯，該排周圍其他4根管道存在不同程度減?。坏?排入口管道爐前向爐后數(shù)第8，9根管道泄漏，第9根管道存在裂紋(裂紋上下存在約0.5 mm壓痕)，且存在脹粗現(xiàn)象，判定其為第1泄漏點(diǎn)。該部位泄漏后沖刷周圍管道，導(dǎo)致其他管道減薄泄漏。

對第5，6排泄漏管道對應(yīng)高過出口管道進(jìn)行蠕脹測量，未發(fā)現(xiàn)異常；對泄漏點(diǎn)周圍管道進(jìn)行厚度測量，未發(fā)現(xiàn)其他管排存在減薄。檢查發(fā)現(xiàn)第5排爐前第4，8，9根管道底部彎頭存在輕微扭轉(zhuǎn)變形，需要更換彎頭。因奧氏體不銹鋼管道彎管變形后會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能惡化，需將彎管進(jìn)行固溶處理，降低硬度。實(shí)測彎制的彎頭布氏硬度值在168—175 HB之間(符合TP347H的硬度參考值140—192 HB)，檢驗(yàn)合格。

對第5，6排管道泄漏點(diǎn)底部彎頭及其周圍高過彎頭進(jìn)行氧化皮檢查，發(fā)現(xiàn)彎頭底部有氧化皮輕微堆積。經(jīng)射線探傷確認(rèn)，堵管面積約10 %，未達(dá)到節(jié)流隱患標(biāo)準(zhǔn)，排除因氧化皮堆積造成過熱爆管的可能。

使用內(nèi)窺鏡對高溫過熱器入口聯(lián)箱內(nèi)部進(jìn)行檢查，聯(lián)箱內(nèi)部清潔度良好；對左數(shù)第6排爐前數(shù)第8，9根節(jié)流孔進(jìn)行檢查，排除因聯(lián)箱異物堵管造成爆管的可能。

對左數(shù)第6排爐前數(shù)第9根爆管切開進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)送檢高溫過熱器管表面有脹粗，泄漏處有2個(gè)長約5 cm的裂紋(見圖2)。

圖1 鍋爐右視圖

圖2 左數(shù)第6排爐前數(shù)第9根泄漏部位橫截面

2.2 送樣爆管金相檢驗(yàn)

在送檢高溫過熱器管泄漏部位的橫截面截取金相試樣，樣品經(jīng)粗磨、細(xì)磨和拋光后，采用4 %硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在Carl Zeiss Axio Obsever 倒置式研究級金相顯微鏡上觀察試樣金相組織。

圖3為高溫過熱器管的泄漏部位橫截面1號樣金相顯微組織照片，由圖3中(a)、(b)可以看出高溫過熱器管泄漏部位管段分層已經(jīng)變形，寬度達(dá)到2 mm，分層邊緣部位尖銳并且向內(nèi)外壁方向延伸；由圖3中(c)中可以看出，過熱器管金相組織為單相奧氏體，組織良好，無明顯老化痕跡。

用HBE-3000A電子布氏硬度計(jì)在金相觀察面上進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)，結(jié)果為168 HB，硬度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 彎頭理化檢驗(yàn)

2.3.1 室溫拉伸試驗(yàn)

在下彎頭直段母材上按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010要求截取拉伸試樣，在UTM5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求(見表1)。

圖3 爆管高溫過熱器管金相組織放大照片

2.3.2 金相檢驗(yàn)

在下彎頭外弧面切取金相試樣，試樣經(jīng)磨制拋光后，用FeCl3鹽酸溶液腐蝕，將腐蝕好的試樣在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下觀察試樣的金相組織。

表1 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4為試樣的金相組織照片。從圖4中可見，管內(nèi)壁有少量氧化皮，管外壁有寬約0.3 mm的形變層，存在形變馬氏體或馬氏體切變形態(tài)；基本金相組織為奧氏體組織，晶內(nèi)有較多稍粗化的第2相，晶界上有較多明顯粗化的第2相，一些呈鏈狀分布，老化4級，晶粒不均勻，晶粒度4—7級。

2.3.3 硬度檢驗(yàn)

利用BH3000型臺(tái)式布氏硬度計(jì)，187.5 kgf(1 kgf=9.8 N)載荷，10 s加載時(shí)間，在金相試樣表面進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)，測得下彎頭外弧面組織布氏硬度為229 HB，高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 過熱器彎頭試樣金相組織放大照片

對金相試樣由外壁到內(nèi)壁進(jìn)行顯微硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。顯微硬度檢驗(yàn)結(jié)果顯示：由外壁到內(nèi)壁的組織顯微硬度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，且靠近外壁的組織顯微硬度最高。

表2 管子顯微硬度檢驗(yàn)結(jié)果 HB

3 處理情況

對高溫過熱器左數(shù)第5排，爐前向爐后數(shù)第3，4，8，9，10，11，12，13根共計(jì)8根管道進(jìn)行更換，焊口經(jīng)射線探傷合格。對高溫過熱器左數(shù)第6排、爐前向爐后數(shù)第8，9管道進(jìn)行更換，焊口經(jīng)過射線探傷合格。檢查發(fā)現(xiàn)第5排爐前數(shù)4，8，9根管道彎頭存在輕微變形扭轉(zhuǎn)。奧氏體不銹鋼管道變形后會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能惡化，故重新制作了3個(gè)彎管并做固溶處理，用以更換變形彎管，焊口經(jīng)過射線探傷合格。

4 原因分析

爐左數(shù)第6排進(jìn)汽側(cè)、爐前向爐后數(shù)第9根管道泄漏，管道存在明顯裂紋，裂紋上下存在約0.5 mm壓痕，且脹粗明顯，爆口周圍未發(fā)現(xiàn)吹損減薄痕跡，判定該處為第1泄漏點(diǎn)。將爆管試樣在泄漏部位橫向切開，發(fā)現(xiàn)橫向截面存在2處分層，一處環(huán)向長3 cm，寬2 mm；另一處環(huán)向長2 cm，寬2 mm。分層邊緣尖銳，裂紋向內(nèi)外壁擴(kuò)展。繼續(xù)切試樣，在泄漏部位20 cm處，分層現(xiàn)象仍未完全消失。

泄漏部位管材分層是管子原始材質(zhì)缺陷。分層是由于材料內(nèi)部存在的孔洞或雜物，如縮孔或大型夾雜物等，在軋制過程中不能被焊合而形成缺陷。

泄漏點(diǎn)在管段對接焊縫附近，該焊縫是2種管徑不同的管子的焊接部位。在運(yùn)行過程中，管子內(nèi)部氣流在焊縫部位從小管徑流入大管徑，流速和方向發(fā)生變化，導(dǎo)致高溫過熱器管進(jìn)口部位壓力變大。由于此處管子存在大片分層，強(qiáng)度不夠，壓力增大促使分層邊緣尖端部位向管外壁擴(kuò)展，同時(shí)也使得分層變寬，管壁變形；發(fā)展到后期，管子強(qiáng)度不夠，從而開裂爆管。

5 暴露的問題及隱患

5.1 暴露的問題

(1) 機(jī)組歷次檢修期間防磨防爆檢查不細(xì)致，未發(fā)現(xiàn)管道母材存在深度壓痕缺陷。

(2) 鍋爐管屏入廠驗(yàn)收管理不到位，未發(fā)現(xiàn)鍋爐制造廠提供的高溫過熱器管存在制造缺陷。

(3) 鍋爐“四管”防磨防爆工作存在紕漏，習(xí)慣于對高溫過熱器外圈管道進(jìn)行重點(diǎn)檢查，而僅對內(nèi)圈管道進(jìn)行抽檢，存在檢查不到位的問題。

5.2 存在的隱患

基建時(shí)，鍋爐廠在對高溫過熱器管Φ45×9(材質(zhì)SA-213TP347H奧氏體不銹鋼) U型彎頭冷彎后未做固溶處理，使其表面出現(xiàn)形變硬化組織，導(dǎo)致管道U型彎下彎頭表面存在形變馬氏體組織(原始為奧氏體組織)，彎頭表面硬度增大，脆性增強(qiáng)，彎頭爆管的概率增大，給設(shè)備安全運(yùn)行造成較大的安全隱患。

6 防范措施

(1) 強(qiáng)化防磨防爆人員技術(shù)培訓(xùn)，增強(qiáng)檢查人員的責(zé)任心。嚴(yán)格按照上級公司“逢停必查、查必查全”的要求，開展防磨防爆檢查。

(2) 利用檢修機(jī)會(huì)搭設(shè)腳手架，對高溫過熱器區(qū)域的管屏進(jìn)行全面檢查，對存在類似壓痕的管道進(jìn)行更換。

(3) 加強(qiáng)對鍋爐管的入廠驗(yàn)收管理，嚴(yán)格執(zhí)行承壓管道驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)制造缺陷嚴(yán)禁入庫。檢修過程中做好管屏防護(hù)，避免機(jī)械損傷。

(4) 機(jī)組檢修期間，鍋爐防磨防爆小組成員要對高過受熱面管道進(jìn)行全覆蓋宏觀檢查，重點(diǎn)檢查管道內(nèi)部變徑部位的管道表面是否存在硬傷、變形脹粗等異常。

(5) 檢修期間，對高過受熱面管道進(jìn)行超聲檢測，抽查比例為2 %，分批次進(jìn)行全覆蓋檢查，消除母材分層、夾雜及氣孔等缺陷。

(6) 機(jī)組大小修期間，抽檢2個(gè)高過下彎頭，對其進(jìn)行理化分析。跟蹤U型彎頭劣化趨勢，確保受熱面彎頭安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，做好SA-213TP347H奧氏體不銹鋼U型彎頭備品工作，并對彎頭做固溶處理。

7 結(jié)束語

鍋爐的防磨防爆工作非常復(fù)雜，也相當(dāng)繁重，應(yīng)根據(jù)工作需要加強(qiáng)鍋爐防磨防爆檢查組的技術(shù)力量。要多學(xué)習(xí)兄弟單位防爆管的經(jīng)驗(yàn)，找出可能發(fā)生爆管的重點(diǎn)部位，為搞好防磨防爆工作奠定基礎(chǔ)。將防磨防爆工作向制度化、規(guī)范化、科學(xué)化靠攏，以減少非停次數(shù)，保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。