600 MW機組鍋爐屏式再熱器爆管原因分析及預防對策

王 榮,魏廣鴻，劉 吉，常 屹，趙志宏

(內蒙古京隆發(fā)電有限責任公司，內蒙古 烏蘭察布 012100)

京隆發(fā)電公司2×600 MW空冷機組鍋爐型號為SG2060/17.5-M915。再熱器由墻式再熱器、屏式再熱器、末級再熱器組成，其中屏式再熱器共50屏，每屏由16根U型彎管組成，管子規(guī)格為Φ63 mm×4 mm，材質為12Cr1MoV和SA213-T91。

1 設備概況

2019年9月29日，京隆發(fā)電公司1號鍋爐屏式再熱器(以下簡稱屏再)從第23屏第5根管下部(即下部第1根管)入口段靠近彎管處爆破，材質為SA213-T91，標高約57 m，如圖1所示。

泄漏管子爆口較大，呈喇叭狀，長度約340 mm，寬度約50 mm，開口最大處管壁無明顯減薄，內壁氧化皮較厚，有剝落痕跡，附近無明顯沖刷痕跡，見圖2、圖3。相鄰兩屏(即22屏和24屏)均有脹粗，割下后發(fā)現(xiàn)迎火面內壁也有氧化皮斑駁痕跡。正對的后屏過熱器第11、12屏有部分管子吹損。對其他管屏同部位管全部進行脹粗檢查，發(fā)現(xiàn)出口段蠕脹均不超標，入口段共有9根存在脹粗超標現(xiàn)象，見表1。

表1 1號鍋爐屏再第5根(下部迎火面第1根)管蠕脹超標統(tǒng)計(標準值：63.756 mm) 單位：mm

2 原因分析

隨著火電機組單機容量越來越大，鍋爐蒸汽參數(shù)不斷提高,過熱器和再熱器受熱面布置也不斷增大。鍋爐過熱器、再熱器管子中流動的工質是高參數(shù)蒸汽且位于溫度較高的區(qū)域,工作環(huán)境惡劣[1]。由于各種原因，運動中會造成管壁實際溫度超過設計值，當發(fā)生短時間、小幅超溫時，金屬蠕變速度較慢，其破壞性不會立刻顯現(xiàn)。但當管子長期處于超溫工況下運行，管材金相組織就會緩慢發(fā)生變化，蠕變速度逐漸加快，材料強度不斷降低，導致管材使用壽命縮短，嚴重時發(fā)生超溫爆管事故[2]。

圖1 屏再爆管位置

圖2 屏再爆口形貌

(a)

(b)圖3 爆口尺寸

根據(jù)近年來對過熱器、再熱器爆管事故進行統(tǒng)計，約70%是由于長期過熱超溫而引起的，爆管大多發(fā)生在高溫受熱面管子的入口段向火側及彎頭處[3]。京隆發(fā)電公司1號鍋爐于2013年5月進行了低氮燃燒器改造，改造后燃燒器從下至上分為主燃燒器區(qū)、主還原區(qū)及燃盡區(qū)3個區(qū)。通過縱向3個區(qū)布置形成縱向空氣分級，燃燒器區(qū)域有所擴大，熱力型NOx生成得到極大抑制，但爐膛火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，再熱器的吸熱量也相對有所增加。本次1號鍋爐屏再爆管正好位于爐膛出口煙溫較高的區(qū)域。查閱SIS系統(tǒng)，低氮燃燒器改造后該泄漏管共超溫35次，其他管子合計超溫不超過10次。在長期超溫過熱環(huán)境下，高溫蒸汽和煙氣等腐蝕性介質起到了助推作用，當管壁溫度超過其氧化臨界溫度時，日積月累蒸汽和煙氣會使管壁產生一層較厚的氧化鐵，當管子脹粗時，這層氧化鐵將沿垂直于應力的方向裂開，使重新裸露的金屬在拉應力和蒸汽或煙氣的作用下產生應力腐蝕，加速脹粗擴展，最終導致管子爆裂。爆管破口具有脆性斷裂特征，且往往有腐蝕產物存在于裂縫內，破口的這些特征與管材在長期超溫運行工況下組織結構不斷受介質腐蝕有關，最初產生微細的蠕脹裂紋和應力腐蝕裂紋，繼續(xù)在超溫工況下運行，微細裂紋不斷發(fā)展和擴大，最終發(fā)生爆管。

在鍋爐實際運行中,由于受吸熱不均和流量不均的共同影響,受熱面同一管屏的不同部位管子之間的熱負荷也存在差別,也稱為同屏熱偏差，其原因一般有以下幾個方面：①由于輻射角系數(shù)不同導致屏再同屏各管子接受爐膛輻射換熱存在差異，換熱不均；②由于分布位置不同導致屏再同屏管子換熱不均，入口部分管子輻射換熱面積較大，中間、出口部分管子輻射換熱面積相對較小，導致同屏不同部位管子吸熱量有偏差；③由于換熱長度不同導致屏再同屏各管子換熱不均。屏再管屏布置在爐膛上方出口處，屬于半輻射半對流受熱面，底部直接受爐膛火焰輻射，輻射熱負荷較高,熱偏差大,對于最外圈管子來說尤為明顯,長度最長,受熱最強,也最容易發(fā)生超溫爆管[4]，該處爆管泄漏也是京隆發(fā)電公司2臺機組投運十多年來再熱器第1次泄漏。

3 爆管產生機理理論分析

3.1 管束熱偏差分析

鍋爐運行中，屏再同屏管子由于結構尺寸不同、內部流動阻力不同、進出口壓差不同，熱負荷也存在差異，導致并聯(lián)布置的同屏管子中蒸汽的焓增不同，產生熱偏差，主要是由于流量不均和吸熱不均所引起的。

在鍋爐實際運行中，使用的蒸汽參數(shù)一般是混合后的平均值，由于并聯(lián)受熱管中存在熱偏差，所以盡管其平均值處于安全范圍內，但個別偏差管的參數(shù)已遠遠超出了安全運行的允許值。受熱管中運行工況最惡劣的是蒸汽流量小、熱負荷高(即熱偏差系數(shù)最大)的偏差管，最可能由于蒸汽溫度過高等原因而導致管壁超溫。因此，只有對熱偏差產生的原因及影響因素進行分析，同時在鍋爐設計制造、運行調整中采取適當?shù)拇胧M可能減小并聯(lián)受熱管之間的熱偏差，才能保證受熱管的安全穩(wěn)定運行[5]。

3.2 受熱管壁溫分析

過熱器和再熱器是鍋爐四管中介質溫度最高的受熱面管屏，大多布置在煙溫較高的區(qū)域，管子內蒸汽與管壁之間的換熱系數(shù)比水冷壁管和省煤器管要低，因此其壁面溫度在各受熱面中一般是最高的。屏再布置在爐膛上部，對于同一管屏上的各管子來說，不同管子之間所處位置的不同而導致其壁溫存在差異，底部管子直接接受爐膛火焰輻射，熱輻射比例大，輻射熱負荷和角系數(shù)也高于其他管子，屏再的最外圈管子最長且三面均無遮擋，輻射換熱面積最大。在屏再區(qū)域煙氣溫度由入口方向至出口方向遞減，在垂直方向上溫度自下而上遞減，致使壁溫較高點不在管組出口處,而在入口最外圈底部彎頭(下部第1根泄漏管)處,這也與阻力增大、流量降低有關。蒸汽流量較小的管子處于煙溫較高區(qū)域，管壁溫度也最高,煙溫偏差與流量偏差的疊加，使外圈向火側低流量管彎頭部位在機組負荷降低時很容易發(fā)生超溫，甚至爆管。

4 原因確認

4.1 金相組織分析

對屏再23-5爆口位置進行金相分析，爆口位置橫截面金相組織為鐵素體+碳化物，馬氏體相位消失，金相組織異常，外壁存在較厚的氧化皮，氧化皮厚度為1231.66 μm，兩側位置金相組織為回火馬氏體，金相組織正常。通過對管內外壁氧化皮進行分析，發(fā)現(xiàn)管內壁存在較厚的氧化皮，影響管子與工質的熱交換，在局部形成傳熱惡化區(qū)域，見圖4—圖7。

4.2 力學性能

對屏再23-5和24-5管的爆管遠端處取拉伸試樣進行力學性能檢測，試驗結果如表2所示。根據(jù)ASME—2017中對SA213-T91鋼的要求，送檢管段的抗拉強度、屈服強度均符合標準，2根管均有一組試樣斷后伸長率低于標準值。

圖4 屏再23-5爆口尖端金相組織

圖5 屏再23-5爆口尖端外側氧化皮

圖6 屏再23-5爆口兩側金相組織

圖7 屏再23-5管彎管外壁氧化皮

表2 1號爐屏再送檢管段力學性能檢測結果

4.3 綜合分析

從爆口形貌看，屏再23-5管爆口粗糙不平整，開口不大，爆口邊緣無明顯減薄，管子內、外壁存在較厚的氧化皮，管子外壁存在較厚的結焦層，影響其熱交換，易引發(fā)局部超溫，整體呈長期過熱特征，與長期過熱爆管破口宏觀特征較為相符。從金相組織來看，爆口位置金相組織老化嚴重，馬氏體相位消失，綜合分析判斷此處爆管泄漏是由于屏再23-5長期過熱導致的。

5 預防措施

5.1 運行調整

a.低氮燃燒器改造后，根據(jù)其結構、設計原理，在保證制粉系統(tǒng)出力的前提下盡可能降低一次風壓及煤粉細度，提高一次風溫，保證充足的二次風量，控制火焰中心不上移。進一步優(yōu)化煤源結構，盡可能實現(xiàn)5臺磨煤機帶滿負荷運行。利用大修機會對鍋爐低氮燃燒器進行優(yōu)化改造，緩解對后屏過熱器、屏再等高溫區(qū)域受熱面的影響[6]。

b.對屏再管子熱偏差的影響因素進行多方面分析，在鍋爐運行中采取切實可行的控制措施，盡可能減小并聯(lián)受熱管之間存在的熱偏差，保證受熱管的安全穩(wěn)定運行[7]。

c.機組正常運行，在AGC投入的情況下，適當降低負荷響應速率，避免負荷長期高頻次、大幅度波動，減小受熱面管材的交變應力[8]。

d.機組啟動嚴格執(zhí)行規(guī)程，全過程控制升溫升壓速率不超限。運行中做好汽水品質、壁溫的控制工作，避免超參數(shù)運行，高低旁投停應控制開關速度，自動情況下避免大幅設定定值，防止參數(shù)大幅波動，減小管材交變應力[9]。

e.根據(jù)煤質的情況組織合理摻燒，避免鍋爐嚴重結焦，控制好吹灰頻次，避免吹灰對管壁造成損傷。

5.2 檢修消缺

a.利用機組檢修的機會優(yōu)化鍋爐空氣動力場，避免局部高溫區(qū)域出現(xiàn)，造成受熱面管子長期過熱。

b.根據(jù)燃用煤種和機組調峰方式的變化優(yōu)化受熱面檢查、檢修方式，包括檢查方法、范圍、深度等。對運行工況比較惡劣的受熱面管進行蠕脹檢測并取樣送檢，發(fā)現(xiàn)脹粗超標或性能下降的受熱面管要及時更換。

c.爐內受熱面壁溫測點偏少，尤其是運行環(huán)境最惡劣的最外圈管。結合機組檢修逐漸增加、完善壁溫測點，便于運行人員有效監(jiān)控壁溫。

6 結語

綜上所述，當屏再并列管子中偏差管的吸熱量偏大時，在其熱負荷增加、蒸汽流量減小的共同作用下，管束蒸汽焓增會有比較明顯增加，對應的管子出口蒸汽溫度和壁溫也會明顯高于平均值，此種工況長期存在就會導致管束金屬發(fā)生蠕變、金相組織老化、金屬強度降低，“爆管”現(xiàn)象也就在所難免[10]。因此，只有運行中做好壁溫監(jiān)視，盡可能減少受熱面超溫，檢修期間認真開展防磨防爆檢查檢修工作，才能保證受熱面長周期安全穩(wěn)定運行。