600 MW亞臨界機組鍋爐后屏過熱器泄漏原因分析與預防

趙志宏，黃利明，李煥君，曾紅芳，王 榮

(內蒙古京隆發(fā)電有限責任公司，內蒙古 豐鎮(zhèn) 012100)

0 引 言

某電廠2號鍋爐在機組運行時發(fā)生了爐管泄漏，停爐后為加快冷卻速度，進行了強制冷卻，具備檢修條件后進爐內檢查發(fā)現(xiàn)后屏過熱器直管段和彎管段異種鋼焊口開裂，消缺后機組再次啟動4 h又發(fā)生泄漏，泄漏部位仍為后屏過熱器，兩次共計被迫停運233 h，給企業(yè)造成了重大的經濟損失。

1 設備概況

該電廠為2×600 MW亞臨界空冷機組，鍋爐型號為SG2059-17.5-M915型控制循環(huán)、四角切圓燃燒、一次中間再熱、固態(tài)排渣π型汽包爐，出口蒸汽參數(shù)為17.5 MPa/540 ℃/540 ℃，該鍋爐設計為五級過熱器，即爐頂、延伸側墻及尾部包覆過熱器→低溫過熱器→分隔屏→后屏→末級過熱器，爆管發(fā)生在后屏過熱器。后屏過熱器布置在分隔屏之后，共25屏，每屏由20根并聯(lián)管組成，最外圈管子外徑Φ60 mm，其余內圈均為Φ54 mm，橫向節(jié)距762 mm，材料除最外圈底部及最內圈繞管底部為不銹鋼SA-213 TP347H(FG)材質外，其余為12Cr1MoVG、SA-213T91材質。為提高后屏過熱器底部夾屏彎安全裕度，2014年A修將原后屏過熱器底部夾屏彎材質由TP347H更換為TP347HFG，彎曲半徑由163 mm調整為185 mm。

2 過熱器泄漏點檢查處理過程

7月27日01∶50,1號爐發(fā)生“四管泄漏”報警信號，專業(yè)人員就地檢查有明顯泄漏聲，申請網調同意后于20:50機組停運，鍋爐密閉。因7月份為發(fā)電的黃金期，為加快檢修進度，于7月28日0∶56啟動引、送風機維持送風量416 t/h進行強制冷卻，冷卻19 h后，汽包壓力0.28 MPa，停運風機，鍋爐密閉放水，放水后7 h，再次啟動風機冷卻，27 h后爐內溫度達46 ℃，具備檢修條件后停運風機，開始檢查泄漏點。經查在后屏過熱器第23屏20、21根距B點約2 m處發(fā)現(xiàn)漏點，其中21根異種鋼(TP347HFG+12Cr1MoVG)焊口開裂約4/5周(如圖1所示)，泄漏管上方進行脹粗測量，第22排、24排有明顯沖刷減薄痕跡。

圖1 后屏過熱器首次泄漏實物圖

按照DL/T752—2010《火力發(fā)電廠異種鋼焊接規(guī)程》要求，更換了泄漏的第23屏夾屏U形彎(TP347HFG)及被吹損的23屏22、24屏11～17等共計10根爐管，焊后進行了熱處理和射線檢查。7月31日17∶07全部處理完成，機組具備啟動條件。

8月2日，鍋爐點火，3日6∶01機組并網，8∶30機組負荷380 MW、主汽壓力12.5 MPa，巡檢員發(fā)現(xiàn)鍋爐50 m甲側有爐管泄漏聲，8∶45在專業(yè)人員確認泄漏過程中，泄漏聲突然增大。后申請網調同意降低負荷至300 MW，鍋爐降壓至8 MPa運行，10∶38機組停運。

8月5日中午，爐內檢查發(fā)現(xiàn)泄漏點為后屏過熱器22屏第22、24根管，因管內積水瞬間噴出，爆破力反沖，第19彎扭曲纏繞并甩出，將第23管屏后4根打變形。經割管送檢內蒙古電科院金相實驗分析，兩個爆口是典型短時過熱特征，認定為短時過熱爆管，爆口形貌如圖2所示。

圖2 后屏過熱器第二次爆管實物圖

3 過熱器泄漏原因分析

3.1 首次泄漏

首爆口沿異種鋼接頭12Cr1MoVG側熔合線分布，由于Ni基焊縫金屬與12Cr1MoVG材料的合金元素含量相差懸殊，在二者熔合線處形成了富C的脆性弱化區(qū)，導致焊口失效。同時，位于管子焊縫根部及外壁的焊縫熔合區(qū)域由于焊縫余高的存在形成了變截面的應力集中，運行過程中管道承受一定的交變應力，使得焊口熔合線附近承受低周疲勞載荷作用。

對爆口焊縫進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)填充層大于2.5 mm(焊絲直徑)，根據DL/T 869《火電廠焊接技術規(guī)程》中對奧氏體不銹鋼及鎳基合金焊接“應采取小線能量焊接，層間厚度不宜大于焊條(絲)直徑”的相關要求，判斷焊接質量存在問題[1]。

3.2 二次泄漏

通過對后屏過熱器入口集箱內窺鏡及后屏部分底部彎管射線檢查，未發(fā)現(xiàn)其他異常，排除管內有水渣、鐵屑、氧化皮等異物堵塞造成后屏過熱器短期過熱引起超溫爆管的可能。

從爆口特征看屬典型短期超溫報警，排除了有異物堵塞的可能，可能為水塞造成，為此展開了進一步分析。

1)首次泄漏后為加快檢修速度，對鍋爐進行了強制冷卻，采用低壓力(0.28 MPa)放水，在檢修割管檢查處理時管內有大量積水。表明停爐時未采用熱爐帶壓放水，致使管內蒸汽無法烘干而凝結積水。

2)第一次消缺后點火初期，爐水溫度為由68 ℃上升至85 ℃,而過熱器壓力上升速度明顯高于汽包壓力，表明過熱器管內存在積水，受熱后蒸發(fā)膨脹致使爆管，如圖3所示。

圖3 點火初期主汽溫度壓力

從圖4可以看出，點火初期投入了減溫水，但水量很小，后屏過熱器甲側出口汽溫出現(xiàn)反復快速波動，且波動幅度達100 ℃以上，表明管內積水向出口移動的過程中被蒸汽沖出，造成汽溫陡降而后又迅速回升[2]。在機組并網后，給煤量增加較快，熱負荷增強，造成減溫水量偏大，管內存在積水再加上減溫水大量使用，造成管內積水不僅未完全汽化反而進一步加劇。機組并網后，不僅煤量增加較快，且二次風量大幅增加，造成爐膛甲側煙溫快速上升，如圖5所示，致使有積水的甲側后屏過熱器出現(xiàn)短期超溫并爆管。

圖5 并網后二次風量與煙溫變化曲線

圖4 升溫升壓過程中一級減溫水與汽溫變化曲線

當受熱面管內積水時，管內積水存在一個緩慢蒸發(fā)流動的過程，它與受熱強度、蒸汽流量和時間有關。熱強度高時蒸發(fā)較快，蒸汽流量較大時帶走較快。當熱強度較高，積水無法全部蒸發(fā)則形成水塞，便會引起局部U形管過熱，嚴重過熱即會引起超溫爆管。水塞的部位一般是不固定的，當減溫水量大幅使用時，水塞易發(fā)生在減溫水噴口附近的管排，且與對應管排的熱強度和蒸汽流量相關。當不使用減溫水時或減溫水量很小時，則可能發(fā)生在受熱較弱的管排，是否爆管則與熱強度的增加幅度和時間有關[3]。

綜上所述，首次泄漏是由于焊接質量不良且受長期交變應力引起，二次泄漏則是由于水塞引起的超溫爆管。水塞的形成是由于停爐后快速冷卻且壓力較低時放水，U形管內蒸汽凝結積水，鍋爐點火啟動時較早地投運了減溫水，減溫水未汽化，延長了水塞的排出時間。機組并網后熱負荷增加較快，減溫水量使用較大且大幅波動，后屏過熱器內水塞較長時間不能消除，使管壁嚴重超溫，進而引起爆管[4]。

4 預防措施

4.1 異種鋼焊接規(guī)定

對后屏過熱器異種鋼焊接接頭進行全面排查和金相檢查，對存在缺陷的管子進行割除，加工V型坡口重新焊接,并減小熔合比。

為避免異種鋼焊接接頭產生晶間腐蝕、熱裂紋和其他缺陷，焊接時要求采用小直徑焊絲打底，焊接時氬氣充滿管道且穩(wěn)定，選用小電流、適中的線能量快速施焊，焊接過程中控制較低的層間溫度[5]。

4.2 防止水塞爆管

1)鍋爐受熱面水塞主要是由于水壓試驗、急劇冷卻和減溫水使用不當造成。正常停爐或事故停爐冷卻采用熱爐帶壓放水方式，汽包壓力0.8 MPa開始放水。待空氣門無白汽冒出4 h后，方可進行自然冷卻。

2)水壓試驗后放水，開啟水冷壁、省煤器放水，頂棚過熱器入口聯(lián)箱疏水，壓力0.2 MPa開啟過熱器出口排空氣門，開啟5%啟動旁路，壓力至0 MPa、2 h后，開啟其余空氣門。

3)機組啟動嚴格控制升溫升壓速度，鍋爐點火2 h內，升溫速率≤1.0 ℃/min，升壓速率≤0.03 MPa/min。點火后2 h至沖車參數(shù)，控制升溫速率≤1.5 ℃/min，升壓速率≤0.05 MPa/min。

4)鍋爐啟動，開啟PCV閥，鍋爐見壓后，可緩慢投入高、低壓旁路，旁路開度大于15%，關閉PCV閥。

5)鍋爐上水前，關閉各減溫水門，減溫水門存在內漏應及時消除。機側主汽溫度高于370 ℃，減溫水注水后，開啟主汽減溫水各電動門，可緩慢小流量投入一級減溫水，并觀察后屏過熱器出口溫度和末級過熱器出口溫度，如下降明顯應關閉調門電動門，減溫水投運其對應出口汽溫應保證有80 ℃以上過熱度。

6)鍋爐點火后，逐漸增加給煤量和開大高、低壓旁路，控制升溫升壓速度，壓力升至5 MPa，高壓旁路開至80%后突關至50%反復活動2次；待壓力重新升至5.0 MPa后，開啟PCV閥，壓力降至3.0 MPa后關閉，如此反復活動3次，以擾動和排出過熱器內積水。

7)鍋爐點火后，隨著汽壓的上升，觀察后屏過熱器和末級過熱器出口汽溫，如有短時下降且快速回升的現(xiàn)象，應禁投減溫水，維持給煤量不變，增加旁路和PCV的開關次數(shù)，加強擾動直至汽溫運行平穩(wěn)。增加給煤量應緩慢均勻，以≤1 t/min的速度增加給煤量，磨煤機啟動控制給煤量波動幅度≤10 t/h。

8)機組并網后，控制升負荷速率4 MW/min，負荷達30 MW穩(wěn)定汽溫汽壓暖機30 min，當運行磨煤量達到最大時啟動下臺磨，及時調整二次風門，維持大風箱差壓400 Pa，當總煤量達95 t/h時機組穩(wěn)定負荷，切換廠用電，并檢查風煙系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、主、再熱系統(tǒng)及二次風系統(tǒng)運行符合要求。

9)負荷240 MW，穩(wěn)定運行30 min，投入減溫水和風煙系統(tǒng)自動，檢查爐膛甲、乙側煙溫及各畫面參數(shù)合理，減溫水總量低于120 t/h，甲乙側偏差小于25 t/h，后屏過熱器和末級過熱器壁溫與對應汽溫差應小于20 ℃，否則穩(wěn)定負荷，進行燃燒調整，排出管內積水。

10)進一步強化運行分析與人員培訓，尤其針對機組特殊運行工況、本身特性及機組啟動全過程控制進行全員培訓。

5 結 語

針對某電廠后屏過熱器連續(xù)兩次爆管進行了運行分析，對后屏過熱器異種鋼焊口進行了漏泄排查，對存在的缺陷重新進行了焊接，經檢驗合格率100%。同時，對水塞的形成原因予以全面分析，制定了防范措施，應在機組啟停過程中嚴格執(zhí)行?？蓪ν愋蜋C組后屏過熱器爆管預防具有一定借鑒意義。