660 MW超超臨界機(jī)組鍋爐屏式過熱器爆管原因探究

王天龍，朱立平，張夜雨，段海洲，張向群

(1.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.中國能源工程股份有限公司，北京 100037)

鍋爐作為火電廠的三大主要設(shè)備之一，一旦發(fā)生故障就會(huì)影響整個(gè)機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行[1]。鍋爐爆管是指在某些因素的作用下蒸汽鍋爐的水或蒸汽管道突然爆破，爆管發(fā)生時(shí)會(huì)有較為明顯的爆破聲音和噴汽聲音，并且伴隨產(chǎn)生蒸汽壓力降低及水位下降等現(xiàn)象[2]。鍋爐爆管具有很大的危險(xiǎn)性，爆管發(fā)生后非常容易擴(kuò)散甚至引發(fā)周圍大面積管道發(fā)生爆破[3]。隨著節(jié)能減排要求越來越高，大容量、高參數(shù)的超超臨界機(jī)組越來越多。超超臨界機(jī)組因其設(shè)計(jì)、制造、安裝等原因?qū)е卤苁鹿暑l發(fā)[4]。因此探究爆管原因能夠更好防止爆管發(fā)生，進(jìn)而提高設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命[5]。對(duì)于爆管原因進(jìn)行詳實(shí)的探究，可以為相似類型缺陷分析提供借鑒。

1 主機(jī)參數(shù)

本期660 MW超超臨界燃煤火電廠配備了2臺(tái)由東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的DG2060/29.4-Ⅱ13型鍋爐。鍋爐采用Π型露天布置，為高效超超臨界參數(shù)、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)變壓運(yùn)行直流爐。1號(hào)鍋爐主要參數(shù)見表1。

表1 1號(hào)鍋爐主要參數(shù)

2 鍋爐爆管狀況

由于線路失電事件時(shí)常發(fā)生，1號(hào)鍋爐2020年1月22日15：11由于電網(wǎng)系統(tǒng)突然震蕩，導(dǎo)致送風(fēng)機(jī)A、B跳閘，觸發(fā)鍋爐主保護(hù)MFT動(dòng)作，機(jī)組停機(jī)。停爐保護(hù)發(fā)生前，機(jī)組負(fù)荷530 MW、過熱蒸汽溫度585 ℃、過熱蒸汽壓力24.2 MPa、再熱蒸汽溫度581 ℃、再熱蒸汽壓力3.9 MPa。當(dāng)日19：22巡檢反饋爐內(nèi)有異音，待鍋爐冷卻后進(jìn)入爐膛檢查發(fā)現(xiàn)屏式過熱器爆管。自2019年12月8日機(jī)組進(jìn)入整套啟動(dòng)開始至本次停爐時(shí)已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行約1000 h，啟停15次。由于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)不穩(wěn)定且容量較小，無法滿足高負(fù)荷需求，機(jī)組尚未進(jìn)行可靠性運(yùn)行。

輻射式屏式過熱器布置在爐膛上部區(qū)域(如圖1標(biāo)注10所示)，沿爐深方向布置了2排，每一排管屏沿爐寬方向布置若干片屏。屏式過熱器管屏入口段與出口段采用不同的管子壁厚，內(nèi)外圈管采用不同的管子規(guī)格。屏式過熱器蛇形管均由集箱承重并由集箱吊桿傳至大板梁上。

圖1 汽水系統(tǒng)流程

圖2為現(xiàn)場(chǎng)拍攝的爆口照片，爆口所在位置為第9號(hào)屏第4根管，可見爆口所在管道有明顯膨脹現(xiàn)象，其下方管道(第9號(hào)屏第5根管)有吹損痕跡。屏式過熱器管材為S30432，出口處采用SA213-T92材質(zhì)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)爆口

3 運(yùn)行情況

3.1 爆管確認(rèn)

鍋爐“四管”是指過熱器、再熱器、省煤器和水冷壁，包括鍋爐所有受熱面[6]?！八墓堋毙孤┖罂赡軙?huì)出現(xiàn)噴汽、水聲或爆炸聲，給水流量增多，蒸汽壓力或溫度下降，爐膛負(fù)壓波動(dòng)至正壓，排煙溫度降低等現(xiàn)象[7]。鍋爐吹灰噪聲頻率為850～3000 Hz，可觸發(fā)鍋爐“四管”泄漏報(bào)警[8]，當(dāng)吹灰器停止吹灰后報(bào)警就會(huì)消失。報(bào)警值量程為0～100%，超過60%就會(huì)觸發(fā)報(bào)警，為防止鍋爐吹灰頻繁觸發(fā)泄漏警報(bào)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置為吹灰時(shí)不觸發(fā)報(bào)警。如圖3所示，2020年1月22日12：54鍋爐開始吹灰，此時(shí)“四管”泄漏報(bào)警值超過60%隨即開始發(fā)出報(bào)警，但吹灰器退出后報(bào)警并未消除仍處于60%～80%，因此可判斷在此時(shí)間段內(nèi)發(fā)生爆管或是爆口惡化。

(a)正常狀態(tài)(b)爆管狀態(tài)圖3 鍋爐吹灰時(shí)“四管”泄漏報(bào)警

通過圖4對(duì)比可得出，從14：30開始，鍋爐給水量較正常情況有增多趨勢(shì)，增量約40 t/h，其他主要參數(shù)變化不明顯。由于屏式過熱器爆口較小，所以蒸汽漏量不會(huì)很大，此方法可作為輔助判斷方法。

(a)正常狀態(tài)(b)爆管狀態(tài)圖4 鍋爐主要參數(shù)

3.2 超溫情況

過熱器和再熱器是超超臨界鍋爐的主要受熱面，因其設(shè)計(jì)參數(shù)高，已經(jīng)接近管材的許用極限溫度，并且周圍環(huán)境為高溫?zé)煔猓瑯O易發(fā)生局部超溫甚至鍋爐爆管[9]。表2為屏式過熱器出口受熱面壁溫報(bào)警值，結(jié)合近1000 h運(yùn)行的參數(shù)曲線未發(fā)現(xiàn)超溫情況。

表2 屏式過熱器出口受熱面壁溫報(bào)警值

3.3 水塞情況

水塞大多數(shù)情況發(fā)生在鍋爐點(diǎn)火初始的升溫升壓階段或者機(jī)組帶20%負(fù)荷階段。鍋爐發(fā)生水塞易引發(fā)嚴(yán)重后果，輕則引起主蒸汽溫度大幅降低甚至危害汽輪機(jī)運(yùn)行，重則可能導(dǎo)致過熱器內(nèi)的蒸汽停滯進(jìn)而管道超溫引發(fā)爆管。圖5為爆管發(fā)生前的鍋爐點(diǎn)火至帶30%負(fù)荷區(qū)間的爐膛溫度，由圖5可見，曲線4代表的煙氣溫度最高為660 ℃，而表1中30%負(fù)荷對(duì)應(yīng)的壁溫溫度上限為645 ℃，所以排除水塞爆管可能。

圖5 爐膛溫度

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 宏觀形貌

圖6為爆口樣管和吹損樣管宏觀外貌(左為爆口樣管，右為吹損樣管)，由圖6可以看出，爆口類似魚口形狀且存在膨脹情況，其長(zhǎng)度為130 mm，寬度為40 mm。爆口上側(cè)沒有碰撞跡象，下側(cè)則能明顯觀察出碰撞痕跡且邊緣被擠扁。吹損的樣管除存在吹損痕跡外沒有膨脹現(xiàn)象且外觀無其他異?，F(xiàn)象。

圖6 樣管宏觀外貌

圖7為爆口樣管切開照片，由圖7可以看出，爆口蒸汽流向的上側(cè)有一淺一深2處碰撞凹坑，凹坑形狀為扁長(zhǎng)圓弧狀。

圖7 爆口樣管內(nèi)部

4.2 幾何尺寸

經(jīng)過測(cè)量得出爆口樣管的爆口周長(zhǎng)為149 mm，相對(duì)于正常管材周長(zhǎng)141.53 mm脹粗5.45%，不符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定：熱軋管不大于公稱壁厚5%，冷軋管大于公稱壁厚4%的要求。

經(jīng)金相測(cè)得爆口的最薄處為6.5 mm，相較于現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)壁厚10.5 mm減薄38%，不符合標(biāo)準(zhǔn)中要求壁厚減薄不超過20%的要求。

4.3 化學(xué)成分

表3為爆口管材化學(xué)成分分析結(jié)果，符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于SA-213T92的要求。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果 單位：wt%

4.4 室溫拉伸

將樣管分成爐前進(jìn)口側(cè)、爐前出口側(cè)、爐后進(jìn)口側(cè)及爐后出口側(cè)4個(gè)拉伸試樣，2根樣管共8個(gè)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。表4為拉伸結(jié)果，其中2根樣管的拉伸結(jié)果符合SA-213T92要求。但爆口樣管的室溫抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度結(jié)果低于吹損樣管。

表4 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4.5 金相組織

圖8為金相組織觀察取材的位置。將爆口管材軸向切開，使得完整爆口所處其中一側(cè)。

圖8 金相組織取材位置

圖9—圖14為金相組織形貌。宏觀形貌顯示爆口內(nèi)的碰撞變形為圓弧形狀，金相組織中則可以發(fā)現(xiàn)形變流線。管材內(nèi)壁包括爆口側(cè)和另一側(cè)均未發(fā)現(xiàn)有明顯氧化層。爆口處有大量沿晶蠕變裂紋，外壁側(cè)的蠕變裂紋比內(nèi)壁側(cè)多且爆口周圍組織中也能觀察到蠕變裂紋與孔洞。

圖9 爆口中部碰撞變形區(qū)域

圖10 爆口中部未變形區(qū)域

(a)變形區(qū)域(b)未變形區(qū)域圖11 爆口中部附近顯微組織形貌

(a)顯微組織 (b)外壁區(qū)域 (c)內(nèi)壁區(qū)域圖12 爆口中部另一側(cè)金相組織形貌

圖13 爆口邊緣金相組織形貌

(a)顯微組織 (b)內(nèi)壁區(qū)域 (c)外壁區(qū)域圖14 爆口邊緣另一側(cè)金相組織形貌

4.6 維氏硬度測(cè)試

對(duì)樣管進(jìn)行了持續(xù)12 s的98N維氏硬度測(cè)試，測(cè)得數(shù)據(jù)見表5。

由表5可知，由于碰撞變形使得彎管凹坑處硬度不符合SA-213T92標(biāo)準(zhǔn)的要求，其他各樣管測(cè)試結(jié)果均符合要求。爆口樣管硬度測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但爆口未變形區(qū)域接近要求下限且爆口外壁低于內(nèi)壁硬度，這是因?yàn)橥獗诘娜渥兞鸭y造成的。雖然爆口變形處硬度高于其他樣管數(shù)據(jù)，但推測(cè)其原因是變形處硬化導(dǎo)致。

表5 維氏硬度測(cè)試結(jié)果 單位：HV

4.7 掃描電鏡觀察

圖15為掃描電鏡下的爆口上游凹坑處形貌，可以看出其內(nèi)壁由上至下的方向性。圖16為爆口斷面在電鏡下的形貌。爆口顯現(xiàn)出沿晶開裂，外表覆有一層氧化物，爆口未變形處內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)摩擦痕跡，而變形處內(nèi)壁則發(fā)現(xiàn)呈方向性的摩擦痕跡。

圖15 爆口上游凹坑處電鏡下組織形貌(右上為凹坑處內(nèi)壁區(qū)域，下為未磕碰區(qū)域)

(a)爆口碰撞處及內(nèi)壁區(qū)域 (b)爆口未碰撞區(qū)域圖16 爆口電鏡下組織形貌

5 結(jié)語

通過運(yùn)行情況分析得出運(yùn)行過程中不存在超溫和水塞情況，通過試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)爆口處存在沿晶蠕變裂紋且附近組織中也能觀察到蠕變孔洞和蠕變裂紋，因此可以得出此次鍋爐爆管屬于過熱蠕變失效類型。爆管成因?yàn)楣懿膬?nèi)部存在鋼球狀異物，在蒸汽作用下不斷摩擦內(nèi)表面并且堵塞管材，使得蒸汽流量不足，最終導(dǎo)致過熱蠕變爆管。為避免此類事故再次發(fā)生，建議全面檢查屏式過熱器管材是否存在管徑脹粗或鼓包等情況，并對(duì)過熱器及再熱器集箱進(jìn)行內(nèi)部清潔。