660 MW超超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器爆管原因分析

皮正仁，周 云，呂建鋒，任青春，孫 輝

(國(guó)家電投重慶電力有限公司，重慶 401123)

1 高溫過(guò)熱器及爆管情況介紹

某電廠3#鍋爐采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG2045/26.15-II2型660 MW 超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行的直流爐、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型布置，鍋爐的主要參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐的主要參數(shù)

高溫過(guò)熱器(以下簡(jiǎn)稱“高過(guò)”)蛇形管位于折焰角上部，沿爐寬方向布置有35片，管排橫向節(jié)距S1=609.6 mm，管子縱向節(jié)距S2=57 mm，每片管屏由20根管子并聯(lián)繞制而成，與煙氣呈順流布置，管子因所處的位置不同而采用不同壁厚與材質(zhì)的管子，內(nèi)外圈管也采用不同規(guī)格的管子。管屏入口段爐外管子規(guī)格[1]：最外側(cè)管子Φ 50.8 mm×7.5 mm，其余管子規(guī)格Φ 45 mm×6.5 mm，材質(zhì)均為SA-213T91；爐內(nèi)入口段最外側(cè)管子規(guī)格Φ 50.8 mm×7.5 mm，材質(zhì)HR3C，第二和第三根管子規(guī)格Φ 45 mm×6.7 mm，材質(zhì)HR3C，其余管子規(guī)格Φ 45 mm×8.2 mm，材質(zhì)SA-213TP347H；出口段爐內(nèi)最外側(cè)管子Φ 50.8 mm×11.4 mm，材質(zhì)HR3C，第二根和第三根管子Φ 45 mm×9.8 mm，材質(zhì)HR3C，其余管子規(guī)格Φ 45 mm×8.9 mm，材質(zhì)super304；出口段爐外最外側(cè)管子Φ 50.8 mm×12.5 mm，其余管子Φ 45 mm×12.5 mm，材質(zhì)均為SA-213T92。

2020年1月22日機(jī)組停運(yùn)后發(fā)現(xiàn)，左往右第11屏1#高過(guò)出口管(爐內(nèi))爆管泄漏(標(biāo)高在70 m左右)。如圖1所示，附近8根高過(guò)進(jìn)出口管泄漏或被沖刷，大包密封盒內(nèi)左往右第11屏1#高過(guò)出口管(位于大包密封盒內(nèi)，穿出頂棚后約200 mm高度處，材質(zhì)為SA213-T92，規(guī)格為Φ 45 mm×12.5 mm)超溫爆管泄漏，附近20根高過(guò)進(jìn)出口管泄漏或被沖刷，如圖2所示。

圖1 爐內(nèi)高過(guò)出口泄漏管子

圖2 大包密封盒內(nèi)高過(guò)出口泄漏管子

爐內(nèi)高過(guò)出口管1～17#(內(nèi)往外)為super304H，煙氣側(cè)壁溫≤705 ℃[2]；爐內(nèi)18～20#高過(guò)出口管(外三圈)為HR3C，煙氣側(cè)壁溫≤730 ℃[3]，大包內(nèi)高過(guò)出口管均為SA-213T92，爐內(nèi)壁溫≤620 ℃，爐外壁溫≤650 ℃[3]。

2 長(zhǎng)期過(guò)熱失效機(jī)理、原因及爆口特征

2.1 長(zhǎng)期過(guò)熱失效機(jī)理

長(zhǎng)期過(guò)熱是指管壁溫度長(zhǎng)期處于設(shè)計(jì)溫度以上而低于材料的下臨界溫度(下臨界溫度是指奧氏體轉(zhuǎn)變的最低溫度)，超溫幅度不大但時(shí)間較長(zhǎng)，鍋爐管子發(fā)生碳化物球化，管壁氧化減薄，持久強(qiáng)度下降，蠕變速度加快，使管徑均勻漲粗，最后在管子的最薄弱部位發(fā)生脆裂的爆管現(xiàn)象。這樣，管子的使用壽命便短于設(shè)計(jì)使用壽命。超溫程度越高，壽命越短。在正常狀態(tài)下，長(zhǎng)期超溫爆管主要發(fā)生在高溫過(guò)熱器的外圈和高溫再熱器的向火面。

2.2 長(zhǎng)期過(guò)熱產(chǎn)生的原因

長(zhǎng)期過(guò)熱產(chǎn)生的原因：管內(nèi)汽水流量分配不均；爐內(nèi)局部熱負(fù)荷偏高；管子內(nèi)部結(jié)垢；異物堵塞管子；錯(cuò)用材料；最初設(shè)計(jì)不合理。

2.3 長(zhǎng)期過(guò)熱爆口特征

長(zhǎng)期過(guò)熱爆管的破口形貌，具有蠕變斷裂的一般特性。管子破口呈脆性斷口特征。爆口粗糙，邊緣為不平整的鈍邊，爆口處管壁厚度減薄不多。管壁發(fā)生蠕脹，管徑脹粗情況與管子材料有關(guān)。

現(xiàn)場(chǎng)看，3#爐左往右第11屏1#高過(guò)出口管(爐內(nèi))爆口粗糙，邊緣為不平整的鈍邊，爆口處管壁厚度減薄不多，管壁發(fā)生蠕脹[2-4]，符合長(zhǎng)期過(guò)熱爆管的破口形貌，如圖2所示。

3 爆管原因分析

1)大包密封盒內(nèi)左往右第11屏1#高過(guò)出口管泄漏原因分析

爐內(nèi)左往右第11屏1#高過(guò)出口管子(標(biāo)高在70 m左右，材質(zhì)super304H，規(guī)格為Φ 45 mm×9.8 mm)爆管泄漏，此管泄漏后蒸汽流量減少，在管內(nèi)蒸汽溫度升高和導(dǎo)熱雙重作用下，大包密封盒內(nèi)材質(zhì)變差部位的高過(guò)出口管(材質(zhì)SA213-T92，規(guī)格為Φ 45 mm×12.5 mm，爐外壁溫≤650 ℃)超溫爆管泄漏。

2)左往右第11屏1#高過(guò)出口管(爐內(nèi))泄漏原因分析

①對(duì)爆管進(jìn)行光譜復(fù)核，顯示結(jié)果與設(shè)計(jì)材質(zhì)super304H相符。

②3#機(jī)組停運(yùn)后，對(duì)左往右第11屏1#高過(guò)進(jìn)出口回路進(jìn)行通球試驗(yàn)檢查，未發(fā)現(xiàn)異常；對(duì)高過(guò)進(jìn)口集箱開手孔檢查異物，未發(fā)現(xiàn)異常，檢查過(guò)程如圖3所示。

圖3高過(guò)進(jìn)出口回路及進(jìn)口集箱檢查過(guò)程

③3#機(jī)組停運(yùn)后，將高過(guò)管樣送至西安熱工院進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果顯示高過(guò)管樣老化程度均為2級(jí)，氧化皮平均厚度49 μm。從檢驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)檢查來(lái)看，高過(guò)因氧化皮脫落造成爆管的可能性較小。

④3#機(jī)組停運(yùn)后，將3#機(jī)組管樣送至西安熱工院進(jìn)行化學(xué)檢驗(yàn)分析，高過(guò)結(jié)垢量為60 g/m2(運(yùn)行時(shí)間6年)，檢驗(yàn)結(jié)果正常[5]。

⑤3#機(jī)組停運(yùn)后，對(duì)左往右第11屏所有過(guò)熱器出口管增加壁溫測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。通過(guò)調(diào)閱2020年5月26日至6月1日左往右第11屏1～20#過(guò)熱器出口管平均壁溫可以發(fā)現(xiàn)，平均壁溫最高的19#管為610.8 ℃，平均壁溫最低的6#管為594.1 ℃，最高和最低點(diǎn)偏差為16.7 ℃，排除同屏管間蒸汽流量分布不均，圖6所示為2020年5月26日至6月1日左到右第11屏高過(guò)出口1～20#管平均壁溫分布。

圖4 壁溫測(cè)點(diǎn)安裝

圖5 左到右11屏高過(guò)出口1～20#管壁溫分布

⑥通過(guò)調(diào)閱2020年5月26日至6月1日左往右第11屏1～20#高過(guò)出口管壁平均溫度可以發(fā)現(xiàn)，同為super304H材質(zhì)的1～17#高過(guò)出口管中，15#、16#、17#管壁溫平均溫度為607.6 ℃、602.6 ℃、604.9 ℃，高于泄漏的1#管壁溫平均溫度602.1 ℃，圖6所示為2020年5月26日至6月1日左到右11屏高過(guò)出口1～20#管壁溫分布。

圖6 左到右各屏高過(guò)出口1#和20#管壁溫分布

⑦調(diào)閱2020年5月26日至6月1日左往右屏1#、20#高過(guò)出口管壁平均溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，左往右各屏中1#、20#高過(guò)出口平均壁溫分布呈“M”型，即“低-高-低-高-低”；各屏1#高過(guò)出口管中，左往右第24屏1#高過(guò)出口管平均壁溫最高，為603.4 ℃，而泄漏管左往右第11屏1#高過(guò)出口平均壁溫次之，為602.1 ℃。各屏20#高過(guò)出口管中，左往右第11屏20#高過(guò)出口平均壁溫最高，為600 ℃，左往右第24屏20#高過(guò)出口平均壁溫次之，為598.4 ℃。圖9為5月26日至6月1日左到右各屏高過(guò)出口1#和20#管壁溫分布。

4 結(jié)論

1)左往右第11屏1#高過(guò)出口管子(爐內(nèi))爆管泄漏后，爆口以上管子蒸汽流量減少，在蒸汽溫度升高和管壁導(dǎo)熱雙重作用下，大包密封盒內(nèi)材質(zhì)變差部位的高過(guò)出口管超溫爆管泄漏。

2)在爆管材質(zhì)符合設(shè)計(jì)，管壁結(jié)垢量正常，爆漏的管子在同屏相同材質(zhì)管壁平均溫度非最高，爆漏的1#高過(guò)出口管在各屏中相同位置平均壁溫非最高的情況下，左往右第11屏1#高過(guò)出口管爆管泄漏最可能的原因?yàn)楫愇锒氯?，異物堵塞后造成管?nèi)蒸汽流量減少，管壁長(zhǎng)期過(guò)熱爆管，爆口開裂后，管內(nèi)蒸汽流速增加，異物隨之從爆口處被帶走。

針對(duì)某電廠660 MW超超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器長(zhǎng)期過(guò)熱爆管的現(xiàn)狀，利用排除法對(duì)高溫過(guò)熱器長(zhǎng)期過(guò)熱的所有原因進(jìn)行分析，最終得出高溫過(guò)熱器長(zhǎng)期超溫爆管最可能的原因?yàn)楫愇锒氯?/p>