屏式過熱器頻繁爆管的原因分析及處理措施

徐甲慶

（河鋼集團(tuán)邯鋼邯寶鋼鐵有限公司能源中心，河北邯鄲 056015）

前言

邯鋼西區(qū)自備電廠3×60 MW 煤氣發(fā)電機(jī)組，是公司在鋼鐵冶煉期間富余煤氣綜合利用發(fā)電創(chuàng)效項(xiàng)目，配套3 臺(tái)60 MW 雙抽冷凝式汽輪機(jī)和3 臺(tái)燃煤氣高溫高壓鍋爐組成。1#爐安全運(yùn)行56 800 h，隨后在一個(gè)月內(nèi)接連出現(xiàn)3起集箱內(nèi)隔板焊縫開裂，部分過熱器管過熱爆管事故，從化學(xué)成分、金相組織和內(nèi)隔板結(jié)構(gòu)等方面對(duì)屏式過熱器頻繁爆管的原因分析，更換加固屏式過熱器24 個(gè)內(nèi)隔板，徹底解決了屏式過熱器頻繁爆管的狀況。

1 屏式過熱器運(yùn)行參數(shù)及爆管現(xiàn)象

屏式過熱器布置在爐膛折焰角上部，受到爐膛的850～950 ℃高溫輻射換熱和出口850～923 ℃高溫?zé)煔鈱?duì)流換熱。屏式過熱器設(shè)計(jì)為Φ42×5 mm無縫熱軋管，最外第1、第2 根屏式過熱器管設(shè)計(jì)為12Cr2MoWVTiB，其余設(shè)計(jì)為12Cr1MoVG，半輻射屏式過熱器沿?zé)煹赖膶挾确较驈奈飨驏|布置了12 組管屏，管屏橫向節(jié)距為600 mm，受熱面積328 m2。運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 屏式過熱器運(yùn)行參數(shù)

1#鍋爐一個(gè)月內(nèi)連續(xù)發(fā)生3起屏式過熱器爆管事故，且第2 次和第3 次新?lián)Q管也爆管，“爆口”表現(xiàn)為短時(shí)間超溫現(xiàn)象明顯。

（1）第一次爆管

間隔時(shí)間:56 000 h。

爆管位置：爐膛從西數(shù)第一組屏式過熱器第1根爆管，其余3根彎頭有裂紋。

爆管現(xiàn)象及原因。“爆口”沿管材水平向長(zhǎng)32 mm，橫向?qū)捈s3 mm，斷裂面不平整，“爆口”處管壁厚為4.56 mm，管徑為42.68 mm?！氨凇碧幋嬖诒⊙趸?。彎頭處，管壁厚為4.66 mm，管徑為42.55 mm。管徑脹粗約為1.45%?！氨凇睘殚L(zhǎng)期超過管材設(shè)計(jì)溫度產(chǎn)生爆管。

爆管處理措施：對(duì)爆管進(jìn)行了切除和聯(lián)箱管口封堵；更換了第一組屏式過熱器12處彎頭。

（2）第二次爆管

間隔時(shí)間：480 h。

爆管位置：西側(cè)第一組屏式過熱器2處新?lián)Q“U”型管和中間2處彎頭裂紋。

爆管現(xiàn)象及原因。中間2 處彎頭處，管壁厚為4.64 mm，管徑為42.58 mm。管徑脹粗約為1.45%。“爆口”為長(zhǎng)期超過管材設(shè)計(jì)溫度產(chǎn)生爆管。2 處新?lián)Q“U”型管為短時(shí)超溫爆破口的特點(diǎn)。

爆管處理措施：更換屏式過熱器4處“U”型管。

（3）第三次爆管

間隔時(shí)間：72 h。

爆管位置：第一次更換過的“U”型管4處爆管。

爆管現(xiàn)象及原因。管徑比原管材粗約為13.2%，“爆口”為鋒利的喇叭形，邊沿很尖利，為韌性斷裂的特性，為短時(shí)超溫“爆口”的特點(diǎn)。

爆管處理措施：屏式過熱器大修，更換屏式過熱器管和屏式過熱器聯(lián)箱內(nèi)部隔板加固或更換。

2 屏式過熱器爆管的原因分析

鍋爐屏式過熱器在短期內(nèi)連續(xù)發(fā)生3 次爆管，第2 次和第3 次新?lián)Q管爆管，“爆口”表現(xiàn)為短時(shí)間超溫現(xiàn)象明顯，說明了在一個(gè)月內(nèi)連續(xù)3 起爆管的原因和爆管的機(jī)理未查清，需全方位排查分析。

2.1 成分分析

對(duì)庫存的12Cr1MoV 備品管、發(fā)生爆管1 000 mm 上方取樣及原來運(yùn)行管管樣進(jìn)行取樣分析。見表2。

表2 管材化學(xué)分析 %

由表2所列，原運(yùn)行的管材及更換的管材，其結(jié)果與12Cr1MoV 鋼的成分指標(biāo)相符，確定了原廠家提供管材和更換管材料，完全符合GB/T5310--2017的要求。

2.2 金相組織分析

對(duì)連續(xù)爆管的爐膛西側(cè)第1 組屏式，對(duì)連續(xù)出現(xiàn)“爆口”的無縫管，對(duì)“爆口”上部50 mm 砂輪切割取樣，取樣后12Cr1MoV 將切面磨制和拋光后進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)，為鐵素體+碳化物，珠光體球化5級(jí)，碳化物在晶界析出、呈鏈狀分布，具有過熱老化特性。如圖1 所示。

圖1 “爆口”邊緣上部50 mm金相結(jié)構(gòu)

2.3 連續(xù)3起屏式過熱器運(yùn)行分析

爆管前后數(shù)據(jù)對(duì)比，屏式過熱器出口蒸汽長(zhǎng)期在430～460 ℃超溫運(yùn)行，且4 次嚴(yán)重超溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。該鍋爐蒸汽溫度調(diào)節(jié)用噴水減溫二級(jí)布置，第一級(jí)噴水點(diǎn)布置在第二級(jí)對(duì)流過熱器與屏式過熱器之間，為粗調(diào)，保證屏式過熱器出口蒸汽溫度≤429 ℃；第二級(jí)噴水點(diǎn)布置在一級(jí)過熱器冷段和熱段之間，為細(xì)調(diào)。經(jīng)二級(jí)噴水調(diào)溫后，保證主蒸汽溫度在530～540 ℃額定范圍內(nèi)運(yùn)行。

因設(shè)計(jì)安裝缺陷，第一級(jí)2 個(gè)噴水減溫電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為水平安裝，受重力影響閥門和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同心，造成一級(jí)噴水減溫調(diào)節(jié)閥卡澀，反應(yīng)不靈敏。而屏式過熱器出口蒸汽溫度在430～480 ℃時(shí),可只用二級(jí)減溫水調(diào)節(jié),就能滿足主蒸汽溫度在530～540 ℃額定范圍內(nèi)運(yùn)行。且二級(jí)減溫比一級(jí)減溫調(diào)節(jié)主蒸汽溫度更靈敏、可靠，外加一級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥卡澀。在運(yùn)行中,主要用二級(jí)減溫水對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在一級(jí)減溫水調(diào)控不及時(shí)或低負(fù)荷不投運(yùn)的現(xiàn)象，疏忽了一級(jí)減溫水對(duì)屏式過熱器的保護(hù)作用，造成屏式過熱器長(zhǎng)期在430～460 ℃超溫運(yùn)行。屏式過熱器出口蒸汽溫度超標(biāo)參數(shù)見表3。

表3 屏式過熱器出口蒸汽溫度超標(biāo)參數(shù)

2.4 屏式過熱器結(jié)構(gòu)分析

每一組鍋爐屏式過熱器集箱Φ219×25mm 的內(nèi)部焊接兩個(gè)內(nèi)堵板(12CrlMoV)，兩個(gè)內(nèi)堵板為單邊滿焊，把整個(gè)連箱分成了A 區(qū)、B 區(qū)和C 區(qū)三段。屏式過熱器的蒸汽流程如圖2。

圖2 屏式過熱器蒸汽流程圖

低溫過熱出口集箱輸出的過熱蒸汽通過集箱A區(qū)，從集箱A區(qū)進(jìn)入左側(cè)過熱器管，過熱蒸汽經(jīng)過吸收爐膛輻射和對(duì)流換熱，再進(jìn)入集箱B區(qū)；進(jìn)入右屏式過熱器的隔板1 和隔板2 左側(cè)面為受力面，可以承受運(yùn)行中的鍋爐設(shè)計(jì)壓力，反面為不受力面，即運(yùn)行中高壓力只能作用隔板1和隔板2左側(cè)面。

為徹底分析原因，把連續(xù)3次發(fā)生爆管，爐膛西側(cè)第一組屏式聯(lián)箱割開，發(fā)現(xiàn)隔板1 和隔板2 存在焊縫開裂傾倒現(xiàn)象；隨即將剩余的11組屏式過熱器聯(lián)箱割開檢查，發(fā)現(xiàn)有7 個(gè)隔板開裂、傾倒和移位。屏式過熱器聯(lián)箱內(nèi)隔板狀態(tài)見表4。

表4 屏式過熱器聯(lián)箱內(nèi)隔板狀態(tài)

2.5 屏式過熱器集箱內(nèi)堵板開裂、傾倒原因分析

屏式過熱器集箱內(nèi)堵板為單邊滿焊，焊縫中存在大量氣孔、夾渣缺陷。機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行中由于內(nèi)堵板兩側(cè)設(shè)計(jì)存在差壓，鍋爐負(fù)荷交替變化，產(chǎn)生的熱脹冷縮，使內(nèi)堵板的焊縫產(chǎn)生熱交變應(yīng)力。加之屏式過熱器超溫運(yùn)行過一段時(shí)間，焊縫強(qiáng)度急劇下降，當(dāng)熱應(yīng)力大于焊縫的屈服極限應(yīng)力，首先從焊縫中存在氣孔、夾渣的薄弱地方開裂，氣流從開裂處不斷進(jìn)行沖刷出現(xiàn)裂縫，加之內(nèi)堵板運(yùn)行期間頻繁振動(dòng),最終使焊縫全部開裂，導(dǎo)致內(nèi)隔板開裂、傾倒。

由于內(nèi)堵板兩側(cè)壓差消失，屏式過熱器采用Φ 42×5mm 管徑細(xì)，壓降大，阻力大，聯(lián)箱管徑粗，壓降小，阻力小,過熱蒸汽就會(huì)由聯(lián)箱A 區(qū)直接流向B區(qū)，那么聯(lián)箱下部管子的高溫過熱蒸汽流量減少，處于高溫對(duì)流輻射，屏式過熱器管在無蒸汽冷卻下，造成管排干燒,短期超溫爆管。綜上所述，屏式過熱器管頻繁爆管主要原因是聯(lián)箱內(nèi)隔板焊縫開裂和超溫引起的。

3 處理方法和措施

(1)對(duì)12 組屏式過熱器聯(lián)箱24 處焊口用砂輪割斷，對(duì)原焊縫打磨40°坡口，對(duì)新內(nèi)堵板進(jìn)行雙面打坡口，在聯(lián)箱內(nèi)部打磨清理干凈，焊接部位預(yù)熱到300 ℃，集箱內(nèi)隔板用氬弧焊工藝焊接，聯(lián)箱焊接采取氬弧焊打底電焊蓋面的工藝。焊后熱處理，3 h內(nèi)平均加溫到730 ℃后，在730 ℃恒溫保持1 h；2.5 h內(nèi)從730 ℃均勻降至300 ℃；從300 ℃自然冷卻至常溫。熱處理期間禁用快速升溫或強(qiáng)制冷卻措施，熱處理完畢后焊縫100%做超聲波探傷。

(2)更換屏式過熱器管。對(duì)內(nèi)隔板發(fā)生傾斜或開焊的聯(lián)箱，全部更換鍋爐屏式過熱器Φ42×5mm管子，焊接采用氬弧焊，焊絲采用R31。對(duì)第1、第2根材質(zhì)為 12Cr2MoWVTiB，采取焊條R34 氬弧焊焊接。

(3)第一級(jí)2 個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改造水平直管段上，垂直安裝，解決了閥門和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同心問題，實(shí)現(xiàn)了一級(jí)減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，運(yùn)行中嚴(yán)格控制屏式過熱器出口汽溫≤429 ℃；主蒸汽溫度低時(shí),禁止采用屏式過熱器超溫運(yùn)行，提高主蒸汽溫度的方法。

4 結(jié)論

綜上所述，鍋爐屏式過熱器在一個(gè)月內(nèi)接連出現(xiàn)3 起爆管的主要原因是集箱內(nèi)隔板開裂或倒塌，按照上述措施和方法對(duì)鍋爐屏式過熱器聯(lián)箱和管子進(jìn)行處理后，保證了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。