某600 MW 超臨界機(jī)組高溫過(guò)熱器失效原因分析及改造措施

付 弢，辛長(zhǎng)春，王 興

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001；2.山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司，山西汾陽(yáng) 032200；3.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京 210023）

0 引言

近年來(lái)，火力發(fā)電廠由于電煤供應(yīng)持續(xù)緊張、火電機(jī)組投運(yùn)自動(dòng)發(fā)電控制運(yùn)行模式，以及機(jī)組頻繁參與電網(wǎng)深度調(diào)峰，鍋爐“四管泄漏”問(wèn)題突出[1-3]。山西某電廠600 MW 超臨界機(jī)組，多次發(fā)生機(jī)組啟動(dòng)后短期內(nèi)高溫過(guò)熱器（以下簡(jiǎn)稱“高過(guò)”）爆管事件，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。本文對(duì)最近一次高過(guò)泄漏原因進(jìn)行了深入分析，并提出了小流量過(guò)熱器減溫水的改造方案，改造后上述問(wèn)題得到了有效控制，可為存在類似問(wèn)題的機(jī)組提供借鑒。

1 設(shè)備概述

某電廠2×600 MW 燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐型號(hào)為DG2030/25.4-II9（鍋爐主要參數(shù)如表1 所示），超臨界參數(shù)變壓直流鍋爐，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)、露天布置，前后墻對(duì)沖燃燒，設(shè)計(jì)煤種為霍州當(dāng)?shù)孛悍N。汽輪機(jī)為東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)日立技術(shù)生產(chǎn)制造，型號(hào)為NZK600-24.2/566/566，超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。設(shè)計(jì)額定出力600 MW，最大出力（閥門全開(kāi)工況）664.827 MW，最大連續(xù)出力638.746 MW，壽命不少于30 a。

表1 鍋爐主要參數(shù)

2019 年1 號(hào)鍋爐C 級(jí)檢修結(jié)束，于2019-04-01T17：50 開(kāi)始啟動(dòng)1 號(hào)鍋爐，用A 磨點(diǎn)火成功，23：57 主、再熱蒸汽參數(shù)滿足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)條件，汽機(jī)開(kāi)始沖轉(zhuǎn)，2019-04-02T4：02 沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min，汽輪機(jī)做主汽門、調(diào)門嚴(yán)密性及超速試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，7：24 機(jī)組與系統(tǒng)并網(wǎng)。2019-04-05T11：00 時(shí)1 號(hào)機(jī)組負(fù)荷380 MW，巡檢員巡回檢查中發(fā)現(xiàn)鍋爐11 層右側(cè)汽水分離器出口去頂棚過(guò)入口管道保溫接口處有蒸汽外漏，右側(cè)高過(guò)出口附近也有蒸汽外漏且有凝結(jié)水下滴，鍋爐11 層西北角處也有漏煙現(xiàn)象，就地聆聽(tīng)泄漏聲音不明顯，四管泄漏無(wú)報(bào)警，鍋爐給水和主蒸汽流量偏差不明顯，機(jī)組補(bǔ)水無(wú)明顯增大現(xiàn)象，通知相關(guān)專業(yè)人員到場(chǎng)檢查，經(jīng)過(guò)就地檢查分析，確認(rèn)鍋爐大包內(nèi)有泄漏點(diǎn)。2019-04-06T17：45 經(jīng)手動(dòng)降負(fù)荷至400 MW，22：15 時(shí)1號(hào)機(jī)組打閘停機(jī)，2019-04-19 鍋爐冷卻至滿足檢修工作條件。

進(jìn)入爐頂大包內(nèi)檢查確認(rèn)泄漏部件是高溫過(guò)熱器，泄漏位置為爐右第4 屏從前至后第19 根管出口段頂棚上部大約1.2 m 左右由下到上的第一個(gè)彎頭。泄漏管材質(zhì)SA-213T91，規(guī)格d45×8.5 mm。高溫過(guò)熱器蛇形管屏位于爐膛折焰角上部，沿鍋爐寬方向布置了31 片，管排橫向節(jié)距S1=609.6 mm，管子縱向節(jié)距S2=57 mm，每一片管屏都由20 根管子并聯(lián)繞制而成，爐內(nèi)入口段上部的最外圈管為d50.8×7/9 mm，其余為d45×7/8.5 mm，材料為SA-213T91，異種鋼接頭布置在每屏入口段標(biāo)高63～64 m 之間，呈階梯布置，其余爐內(nèi)受熱面管子的材質(zhì)均為SA-213TP347H。爐外出口管子材料為SA-213T91，最外圈管子規(guī)格為d50.8×10/9 mm，其余為d45×8.5 mm。

2 高溫過(guò)熱器失效原因分析

對(duì)爆破泄漏管（編號(hào)4-19）割管取樣做金相組織和常溫機(jī)械性能試驗(yàn)分析，同時(shí)對(duì)相鄰的第18根管（編號(hào)4-18）一并割管取樣做金相組織和常溫機(jī)械性能試驗(yàn)分析，對(duì)2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)做分析對(duì)比。

2.1 爆口宏觀分析

爆破泄漏管的材質(zhì)為SA-213T91，其規(guī)格為d45×8.5 mm，爆口位于彎頭背弧。爆口長(zhǎng)度28 mm，最寬處2.5 mm，彎頭有明顯的脹粗現(xiàn)象，最大直徑48 mm，爆口邊緣減薄不明顯，最薄處壁厚6.5 mm，在爆口附近肉眼可見(jiàn)多條平行于爆口的表面蠕脹裂紋，爆口兩側(cè)的裂紋有明顯的彎曲變形，說(shuō)明在爆破以前表面蠕脹裂紋已經(jīng)生成。根據(jù)爆口的宏觀形貌，初步分析爆破泄漏具有長(zhǎng)期過(guò)熱的特征。

2.2 常溫拉伸試驗(yàn)

對(duì)編號(hào)4-19 樣管彎頭的上部和下部加工取樣2 組(每組2 個(gè)），對(duì)編號(hào)4-18 管彎頭下部加工取樣1 組（每組2 個(gè)），做機(jī)械性能試驗(yàn)。所有試樣沿管子縱向方向截取長(zhǎng)度150 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》GB 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，編號(hào)4-19 管爆口取樣的表面硬度值不合格，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)的下限值；其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)除2個(gè)試樣的延伸率略低于標(biāo)準(zhǔn)值外，全部合格。

2.3 金相組織分析

T91 鋼是一種馬氏體耐熱鋼，不僅具有高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，而且還具有良好的沖擊韌性和高而穩(wěn)定的持久塑性及熱強(qiáng)性能。作為鍋爐受熱面使用時(shí)金屬壁溫不超過(guò)650 ℃。在標(biāo)準(zhǔn)中的牌號(hào)是10Cr9Mo1VNbN，金相組織應(yīng)為回火馬氏體或保持馬氏體位相的回火索氏體。根據(jù)《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》DL/T 438—2016 中的9.3.18.a 規(guī)定T91（10Cr9Mo1VNbN）鋼管的組織老化評(píng)級(jí)和金相組織分析評(píng)級(jí)，依據(jù)《火力發(fā)電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》DL/T 884—2019 執(zhí)行。

依據(jù)《火力發(fā)電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》DL/T 884—2019 中評(píng)判規(guī)則，編號(hào)4-19 爆口處金相組織中碳化物顆粒彌散明顯，晶界碳化物顆粒增多，馬氏體位相明顯分散，達(dá)到中度老化3 級(jí)。

依據(jù)《火力發(fā)電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》DL/T 884—2019 中評(píng)判規(guī)則，編號(hào)4-18 爆口處金相組織中碳化物顆粒有彌散趨勢(shì)，馬氏體位相分散不明顯，評(píng)定為老化2 級(jí)。

2.4 氧化皮檢測(cè)分析

根據(jù)編號(hào)4-19 彎頭爆口的宏觀形貌、拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、表面硬度測(cè)試數(shù)據(jù)、金相組織老化評(píng)級(jí)，結(jié)合爐內(nèi)材質(zhì)SA-213TP347H 鋼管割后內(nèi)壁氧化皮堆積量、爐內(nèi)直管變形情況的綜合分析，編號(hào)4-19彎頭爆破泄漏的主要原因是長(zhǎng)期過(guò)熱引起的。爐內(nèi)材質(zhì)為SA-213TP347H 的鋼管，其特點(diǎn)就是在蒸汽溫度大于570 ℃的時(shí)候容易在內(nèi)壁生成疏松的氧化皮，這種氧化皮通常附著在管壁上。氧化皮的剝落一般具備2 個(gè)條件：一是氧化皮要達(dá)到一定厚度；二是管子溫度變化頻繁，且幅度較大。由于氧化皮的線膨脹系數(shù)（0.9×10-5）與SA-213TP347H 鋼金屬的線膨脹系數(shù)（2.1×10-5）相比差別很大，溫度變化時(shí)就會(huì)引起氧化皮破裂并從金屬表面剝離，因此在機(jī)組停機(jī)和啟動(dòng)以及負(fù)荷、溫度和壓力變化較大時(shí)，SA-213TP347H 鋼管達(dá)到剝離條件的氧化皮開(kāi)始逐漸剝離下來(lái)，造成管排彎頭堆積堵管，通流冷卻蒸汽減少，引起鋼管超溫爆破。

依據(jù)《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》DL/T 715—2015 的相關(guān)規(guī)定可知：T91（10Cr9Mo1VNbN）鋼過(guò)熱器爐外非受熱管子金屬壁溫≤630 ℃，SA-213TP347H（07Cr18Ni11Nb）鋼管煙氣側(cè)金屬壁溫≤670 ℃。當(dāng)氧化皮開(kāi)始逐漸剝離下來(lái)，造成管排彎頭堆積堵管，通流冷卻介質(zhì)減少的時(shí)候管內(nèi)的蒸汽溫度會(huì)升高，同時(shí)SA-213TP347H 鋼管煙氣側(cè)金屬壁溫也會(huì)升高，這2 個(gè)溫度疊加后造成大包內(nèi)T91（10Cr9Mo1VNbN）鋼過(guò)熱器爐外非受熱管子金屬壁溫升高，根據(jù)爆口處金相組織的變化、表面硬度值的降低和彎頭蠕脹裂紋的產(chǎn)生及爆口形貌綜合分析判斷，大包內(nèi)T91（10Cr9Mo1VNbN）4-19 管金屬壁溫達(dá)到650 ℃以上，由于彎頭背弧殘余應(yīng)力比直管段高，所以首先在彎頭部位表現(xiàn)金屬材料失效，產(chǎn)生高溫蠕脹裂紋后爆破，同時(shí)試樣的金相組織表明編號(hào)4-18 管也有超溫的情況。

2.5 歷史運(yùn)行情況分析

對(duì)600 MW 超臨界機(jī)組歷次“四管”泄漏原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，多次發(fā)生機(jī)組檢修啟動(dòng)后較短運(yùn)行周期內(nèi)出現(xiàn)高過(guò)爆管現(xiàn)象，查看機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，本鍋爐由于啟動(dòng)初期產(chǎn)汽量少，過(guò)熱器等受熱面壁溫需通過(guò)減溫水進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，但過(guò)熱器減溫水規(guī)格相對(duì)較大，不利用啟動(dòng)初期汽溫和金屬壁溫的調(diào)節(jié)，造成汽溫和金屬壁溫的大幅波動(dòng)，加劇了金屬氧化皮的生成和脫落。另外，對(duì)機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在正常運(yùn)行過(guò)程中，高溫過(guò)熱器金屬管壁的歷史超溫情況并不多，未見(jiàn)金屬長(zhǎng)期超溫的情況?？紤]到高溫過(guò)熱器壁溫測(cè)點(diǎn)相對(duì)較少，本鍋爐過(guò)熱器壁溫測(cè)點(diǎn)布置方案如下：左數(shù)第2 至第5 屏和右數(shù)第2 至第5 屏均全屏加裝壁溫測(cè)點(diǎn)，其余每屏第2 根布置測(cè)點(diǎn)，高溫過(guò)熱器金屬壁溫測(cè)點(diǎn)合計(jì)31 個(gè)，高溫過(guò)熱器金屬壁溫測(cè)點(diǎn)較少，不排除由于監(jiān)控不到，部分金屬管材長(zhǎng)期超溫的可能性。

2.6 高溫過(guò)熱器失效綜合原因分析

通過(guò)以上分析，600 MW 超臨界機(jī)組1 號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器頂棚彎頭爆破泄漏的直接原因是，由于管排彎頭氧化皮堆積堵管，通流冷卻介質(zhì)減少造成金屬管材長(zhǎng)期過(guò)熱，最后金屬材料老化失效。但該問(wèn)題的根源在于機(jī)組運(yùn)行參數(shù)控制不當(dāng)，造成氧化皮的生成和脫落加劇造成的。氧化皮生成和脫落問(wèn)題和多種因素有關(guān)，如金屬材質(zhì)、是否存在超溫運(yùn)行、金屬壁溫的大幅度變化、鍋爐啟動(dòng)階段金屬壁溫變化速率大等原因，但針對(duì)本文鍋爐，機(jī)組啟動(dòng)階段投運(yùn)減溫水是造成金屬氧化皮生成的一個(gè)重要因素，亟須進(jìn)行優(yōu)化解決。

3 綜合治理措施

3.1 小流量過(guò)熱器減溫水改造

考慮到600 MW 超臨界機(jī)組1 號(hào)鍋爐啟動(dòng)初期由于產(chǎn)汽量少，高過(guò)易超溫，需通過(guò)投運(yùn)減溫水控制，在一定程度上決定于機(jī)組的運(yùn)行特性，而通過(guò)受熱面改造來(lái)解決上述問(wèn)題難度較大，還存在很大的不確定性?？紤]到本鍋爐過(guò)熱器減溫水管道規(guī)格相對(duì)較大，機(jī)組啟動(dòng)階段使用減溫水輔助調(diào)溫時(shí)，極易造成減溫水汽化不完全，造成蒸汽帶水，金屬壁溫變化速率大，造成金屬氧化皮生成和脫落。針對(duì)這一難題，本文提出了過(guò)熱器小流量減溫水改造方案，用于機(jī)組啟動(dòng)初期輔助調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫及過(guò)熱器金屬壁溫。鍋爐原過(guò)熱器減溫水管道規(guī)格為d89×13 mm（材質(zhì)12Cr1MoVG），本文新增小流量減溫水系統(tǒng)控制最大流量不超過(guò)10 t/h，小流量減溫水管材管徑規(guī)格優(yōu)選為d42×8 mm（材質(zhì)12Cr1MoVG），為了減少對(duì)后續(xù)管道的沖擊，將電動(dòng)調(diào)整門后管道采取增加一個(gè)變徑的異型變徑接管，達(dá)到降壓目的，變徑管最終管徑為d89×13 mm，與原減溫水管道規(guī)格相同，通過(guò)三通接入到原減溫水系統(tǒng)。本方案改造情況如圖1 所示。

圖1 小流量過(guò)熱器減溫水改造方案（mm）

3.2 金屬壁溫測(cè)點(diǎn)優(yōu)化改造

通過(guò)上文分析可知，600 MW 超臨界機(jī)組1號(hào)鍋爐過(guò)熱器金屬壁溫測(cè)點(diǎn)較少，不能有效監(jiān)控過(guò)熱器的超溫情況。參照《國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司鍋爐“四管”泄漏專項(xiàng)治理措施》中對(duì)超（超）臨界機(jī)組鍋爐壁溫測(cè)點(diǎn)布置方案，對(duì)流式高溫受熱面（位于水平煙道）沿寬度方向每隔1 m裝設(shè)1 個(gè)壁溫測(cè)點(diǎn)，均裝設(shè)在每屏壁溫分布計(jì)算值最高的管子上，預(yù)計(jì)高溫過(guò)熱器新增壁溫測(cè)點(diǎn)121 個(gè)，改造后高溫過(guò)熱器壁溫測(cè)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到152 個(gè)，這有利于加強(qiáng)對(duì)高溫過(guò)熱器壁溫的監(jiān)控，提高金屬使用壽命。另外，隨著機(jī)組參與深度調(diào)峰的頻次和深度逐年增加，增加壁溫測(cè)點(diǎn)后，也可在一定程度上提高機(jī)組參與深度調(diào)峰時(shí)運(yùn)行的可靠性。

3.3 優(yōu)化運(yùn)行控制策略

為了提高高溫過(guò)熱器的可靠性，除上述改造措施外，本文還提出了以下幾方面的檢修和優(yōu)化運(yùn)行建議。

a）制定高溫過(guò)熱器管排底部彎頭內(nèi)壁氧化皮檢測(cè)措施，做到逢停必檢。防止氧化皮堆積堵管，造成金屬管材長(zhǎng)期超溫失效。

b）控制鍋爐啟停過(guò)程升降溫速率及機(jī)組負(fù)荷變化速率，機(jī)組啟動(dòng)階段控制金屬壁溫變化速率不超過(guò)5 ℃/min，條件允許的話，盡可能控制金屬壁溫變化速率不超過(guò)2 ℃/min，減緩管子內(nèi)壁氧化皮生成和脫落現(xiàn)象。

c）機(jī)組啟動(dòng)階段，不建議使用減溫水。當(dāng)鍋爐壁溫或者汽溫難以控制時(shí)，通過(guò)小流量減溫水系統(tǒng)進(jìn)行控制，但調(diào)整過(guò)程中，也需控制金屬壁溫變化速率不超過(guò)5 ℃/min。

d）隨著機(jī)組參與深度調(diào)峰的頻次和深度逐年增加，當(dāng)金屬材質(zhì)不能滿足安全運(yùn)行要求時(shí)，建議參考DL/T 715—2015《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》第4.2.6 條中的超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器、高溫再熱器、屏式過(guò)熱器的高溫段推薦選用SA-213TP347HFG 或內(nèi)壁噴丸的18-8 奧氏體耐熱不銹鋼，逐步對(duì)目前爐內(nèi)的SA-213TP347H 鋼進(jìn)行升級(jí)改造。只有這樣，才能進(jìn)一步提高高溫過(guò)熱器的可靠性。

4 綜合治理效果

600 MW超臨界機(jī)組1 號(hào)鍋爐在完成了小流量過(guò)熱器減溫水改造、過(guò)熱器金屬壁溫測(cè)點(diǎn)優(yōu)化改造后，結(jié)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)過(guò)熱器未發(fā)現(xiàn)明顯的超溫現(xiàn)象。優(yōu)化改造后，截止到目前高溫過(guò)熱器未發(fā)生過(guò)失效泄漏事故，高溫過(guò)熱器啟動(dòng)后頻繁泄漏的現(xiàn)象得到有效控制，機(jī)組運(yùn)行正常。這一優(yōu)化改造方案，簡(jiǎn)單易行，效果良好，為同類型機(jī)組高溫過(guò)熱器做好運(yùn)維工作提供了思路，值得大力推廣應(yīng)用。