火電機組金屬部件拉裂失效原因分析

王賢明，楊林豪，嚴小華

（1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州311121；2.浙江省能源集團有限公司 科技工程與服務(wù)產(chǎn)業(yè)分公司，浙江 杭州311121；3.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州311121）

0 引 言

2016 年至今，某集團擁有300 MW 及以上大型燃煤機組43 臺，超高壓機組4 臺，發(fā)電機組總裝機容量約26000 MW。 經(jīng)過逐步優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，淘汰落后產(chǎn)能，截至2021 年底，該集團新增超臨界以上機組8 臺，關(guān)閉4 臺超高壓機組，發(fā)展5臺供背壓式供熱超高壓機組，總共達56 臺，總?cè)萘窟_30120 MW。 燃氣聯(lián)合循環(huán)機組共13 臺，總?cè)萘考s3800 MW。

雖然大容量、高參數(shù)機組不斷增加，但在近年來深度調(diào)峰、能源雙控的政策下，機組利用小時數(shù)不斷下降。 頻繁啟動、快速升降負荷等導致火電機組運行工況惡劣，金屬部件拉裂問題日益增多，鍋爐“四管”爆泄事件頻繁發(fā)生，嚴重影響到發(fā)電機組安全、可靠運行。 據(jù)統(tǒng)計，2016 年至今，火電機組各類金屬部件拉裂引起失效事件高達64 臺次，年平均發(fā)生11 臺次，近兩年高達14 臺次。

1 拉裂造成機組非計劃停機

據(jù)統(tǒng)計，2016 年-2021 年，該集團火電機組發(fā)生的64 臺次（見圖1）金屬部件拉裂失效事件中，有22 臺次引起機組停機。 自2019 年以來，拉裂失效導致機組停機事件迅速增加，并成為機組非計劃停機的主要原因之一。

圖1 2016 年-2021 年火電機組拉裂失效事件統(tǒng)計

2 拉裂發(fā)生部位分析

拉裂的發(fā)生機理是當金屬結(jié)構(gòu)件遇熱膨脹不暢或不協(xié)調(diào)，此時內(nèi)應(yīng)力大于材料的抗拉強度而導致材料失效。 但造成材料熱態(tài)內(nèi)應(yīng)力過大的具體原因，涉及設(shè)計、安裝、運行等各方面因素，拉裂發(fā)生部位也千差萬別，解決措施不能一概而論，需要對拉裂缺陷進行歸納分析，提出對應(yīng)的解決措施［1-9］。

鍋爐金屬部件拉裂與結(jié)構(gòu)因素密切相關(guān)（見表1），通過對發(fā)生部位的統(tǒng)計分析，有利于找到其規(guī)律與原因，有利于做好失效預警、重點排查、統(tǒng)籌改造等，減少失效事件的發(fā)生。

表1 金屬結(jié)構(gòu)件拉裂發(fā)生部位的統(tǒng)計分類

2.1 附屬小口徑管的拉裂

根據(jù)6 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，小口徑管拉裂失效事件共發(fā)生12 臺次，此類拉裂主要發(fā)生在熱態(tài)位移量大的管道、集箱附屬接管，如主蒸汽管道、再熱熱段管道、高溫集箱、高溫導汽管、汽機三抽管路等附屬小口徑管，附屬小口徑管含疏水、放空氣、取樣等管路（見表2）。 拉裂發(fā)生部位主要在容易發(fā)生應(yīng)力集中的管道變徑部位、加強管接座對接焊縫、管接座角焊縫等部位（見圖2 -圖4）。

表2 附屬小口徑管拉裂部位分類

圖2 管接座對接焊縫拉裂共7 臺次

圖3 管道變徑部位拉裂共2 臺次

圖4 管接座角焊縫拉裂共3 臺次

分析小口徑管拉裂具體原因：（1）小口徑管前部支架卡澀，管接座與固定支架間管道柔性不足（膨脹彎少、管壁厚、距離短）；（2）管路管徑突變、存在焊接殘余應(yīng)力等造成的應(yīng)力集中；（3）小口徑管路壁厚較大、鋼度過大等。

2.2 鍋爐水平煙道側(cè)包墻拉裂

鍋爐水平煙道與尾部煙道交接部位連接焊縫拉裂問題，在近年新投產(chǎn)機組上頻繁重復發(fā)生，共發(fā)生8 臺次。 主要發(fā)生在巴威公司的超（超）臨界機組鍋爐上，哈鍋的超超臨界機組鍋爐上也偶有發(fā)生。 由于受熱面結(jié)構(gòu)原因，該部位的拉裂問題暫時無法有效解決。

在連接焊縫兩側(cè)的受熱面管上裝設(shè)溫度測點，根據(jù)測點數(shù)據(jù)可知，在機組冷態(tài)啟動過程中，尾部煙道側(cè)包墻管壁溫度與水平煙道側(cè)包墻管壁溫度最大差值約75 ℃（見圖5），待機組穩(wěn)定運行后溫差消除。 該部位連接焊縫長度約10 m，最大自由脹差［10］9.4 mm，因設(shè)計及現(xiàn)場布置原因，該連接焊縫拉裂不可避免。 因該部位鍋爐受熱面管強度要求較高，連接焊縫兩側(cè)鰭片較厚、鋼性大，裂紋易向管壁較薄的受熱面擴展并最終導致失效。

圖5 DCS 畫面壁溫差值

2.3 二次風箱與水冷壁連接部位的拉裂

二次風箱與水冷壁連接部位拉裂，主要發(fā)生在水冷壁與二次風箱連接處的上、下轉(zhuǎn)角部位。根據(jù)6 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該類拉裂共發(fā)生9 臺次，主要發(fā)生在四角切圓燃燒的上鍋爐型結(jié)構(gòu)上，東鍋爐型也偶有發(fā)生（見圖6 -圖8）。

圖6 鍋爐側(cè)視圖中拉裂產(chǎn)生部位

圖7 鍋爐俯視截面圖拉裂產(chǎn)生部位

圖8 二次風箱拉裂導致水冷壁管爆泄

分析該類拉裂發(fā)生的主要原因：（1）二次風箱采用梳形板直接與水冷壁管子垂直角焊，該結(jié)構(gòu)角焊縫存在應(yīng)力集中；（2）機組正常運行期間，二次風箱殼體（約320 ℃）與水冷壁管（約440 ℃）有約120 ℃的溫差；（3）二次風箱整體結(jié)構(gòu)高約12 m（以600 MW 超臨界機組為例），設(shè)計采用水冷壁附焊件與風箱法蘭連接的方式，利用法蘭上、下的長腰螺孔來消除脹差，但因安裝偏差、銹腐等原因易卡澀，在二次風箱上、下轉(zhuǎn)角部位角焊縫處拉裂，同時機組頻繁啟停、工況大幅變化等會加速裂紋擴展。

2.4 高溫集箱兩側(cè)管接座角焊縫拉裂

根據(jù)6 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，高溫集箱兩側(cè)管接座角焊縫拉裂共發(fā)生9 臺次（見圖9）。

圖9 某鍋爐高再進口集箱管接座拉裂

分析該類拉裂發(fā)生的主要原因：（1）老機組運行時間已經(jīng)接近壽命期限，鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器進、出口集箱及接管材質(zhì)老化，強度降低，且集箱兩側(cè)管接座角焊縫更易形成應(yīng)力集中造成拉裂；（2）新建高參數(shù)、大容量機組設(shè)計階段，設(shè)計人員沒有充分考慮機組啟停期間受熱面的溫度偏差。如某鍋爐廠設(shè)計的超超臨界機組高溫再熱器進口集箱（約540 ℃）與頂棚（約420 ℃）壁溫溫差按120 ℃溫差設(shè)計，但根據(jù)實測數(shù)據(jù)，機組啟動過程中兩部分材料最大溫差達230 ℃，而大容量機組爐型寬度達34 m（以1000 MW 超超臨界機為例），集箱兩側(cè)接管柔性不足以抵消脹差，經(jīng)過機組多次啟停后，高再進口集箱兩側(cè)管接座角焊縫出現(xiàn)大批量拉裂，由于再熱器受熱面管壁較薄，裂紋極易貫穿。

2.5 包墻下集箱箱間鰭片、管接座拉裂

尾部煙道包墻下集箱由多個集箱分段組成，各個分段通過管套焊接成一個整體，分段間的鰭片角焊縫、兩側(cè)管接座角焊縫極易發(fā)生拉裂（見圖10）。 根據(jù)6 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該類拉裂共發(fā)生9臺次。 該類拉裂與機組運行時間及啟停次數(shù)相關(guān)，主要發(fā)生在巴威亞臨界鍋爐的前包墻、上鍋超臨界鍋爐的中隔墻與IHI亞臨界鍋爐側(cè)包墻。

圖10 集箱套管部位鰭片拉裂導致爆泄

分析該類拉裂發(fā)生的主要原因：（1）包墻下集箱分段間存在鰭片、讓管變形情況，各個分段間結(jié)構(gòu)復雜，焊縫較多，該部位內(nèi)應(yīng)力較大；（2）汽水系統(tǒng)遞進加熱，各鰭片間存在溫差，經(jīng)過機組多次啟、停循環(huán)后，分段集箱間鰭片在內(nèi)應(yīng)力較大的部位先發(fā)生開裂，最后裂紋擴展至管壁導致泄漏。

2.6 穿頂棚受熱面管子的拉裂

根據(jù)6 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，穿頂棚受熱面管發(fā)生鰭片角焊縫拉裂導致爆泄的有5 臺次。 發(fā)生的部位有：（1）前墻水冷壁、后包墻膜式受熱面管子十字交叉穿頂棚管，裂紋發(fā)生在鰭片端部的尖角及角焊縫缺陷處，進而擴展到受熱面管導致爆泄；（2）頂棚密封裝置直接與受熱面管子焊接的密封角焊縫拉裂，進而延伸貫穿管壁（見圖11）。

圖11 穿頂棚部位鰭片拉裂導致爆泄

分析該類拉裂發(fā)生的主要原因：頂棚受熱面管壁厚、鋼度大，熱膨脹不易受其他變形影響，爐頂密封結(jié)構(gòu)復雜，穿越其間的受熱面管需有足夠的膨脹余量來應(yīng)對與頂棚受熱面管的膨脹差，特別是膜片管屏本身是一個整體，當每一根穿越管子膨脹變形受限，管屏膜片脹差累積不能得到有效釋放，極易在鰭片角焊縫處發(fā)生拉裂，頂棚密封裝置角焊縫處也存在類似問題。

2.7 水冷壁進口集箱接管角焊縫、水冷壁下部綁帶角焊縫拉裂

兩類拉裂與某型號鍋爐具體設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)。

水冷壁進口集箱接管角焊縫拉裂，發(fā)生在該型號鍋爐干渣機出渣裝置結(jié)構(gòu)上，某公司兩臺機組均發(fā)生拉裂泄漏（見圖12）。

圖12 水冷壁進口集箱管座角焊縫拉裂

干渣機出渣擋板直接剛性焊接在水冷壁進口管組上。 干渣溫度較高、擋渣裝置靠近水冷壁進口的上部內(nèi)襯板溫度接近灰渣溫度，而水冷壁進口集箱約為300 ℃，這兩個剛性部件溫差大、膨脹不協(xié)調(diào)，在應(yīng)力集中的擋渣板垂直角焊縫、進口集箱管座角焊縫等處拉裂。

螺旋水冷壁在冷灰斗上部轉(zhuǎn)角部位綁帶角焊縫拉裂造成水冷壁泄漏（見圖13），發(fā)生1 臺次。經(jīng)排查，該集團同類型超超臨界機組鍋爐相同部位均存在拉裂問題。 其產(chǎn)生的主要原因為結(jié)構(gòu)復雜、焊縫交叉內(nèi)應(yīng)力較大。

圖13 水冷壁綁帶角焊縫的拉裂

2.8 施工原因造成的拉裂

近幾年因施工原因，造成金屬結(jié)構(gòu)拉裂事件也時有發(fā)生，已發(fā)生3 起拉裂導致失效事件。 主要原因沒有按圖施工、安裝臨時固定點沒有及時去除、檢修結(jié)構(gòu)沒有恢復等造成結(jié)構(gòu)缺陷拉裂。如圖14 所示，頂棚管與側(cè)包墻分段焊縫沒有按圖紙要求分布，過于靠近頂棚出口集箱，經(jīng)過機組啟停后，該管子在應(yīng)力集中管座角焊縫處拉裂。 該類拉裂主要發(fā)生在近5 年投產(chǎn)的新建機組或檢修后的機組上。

圖14 沒有按圖施工頂棚集箱管座角焊縫拉裂

3 結(jié)論與建議

通過對某集團火電機組6 年內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)拉裂導致失效案例歸納分析，匯總發(fā)生拉裂幾個主要原因：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有全面考慮機組實際運行工況，特別是極端工況。

（2）發(fā)電行業(yè)現(xiàn)狀導致機組啟、停頻繁，大幅度負荷調(diào)整成為常態(tài)，金屬結(jié)構(gòu)長期應(yīng)力交變疲勞及短時應(yīng)變過大。

（3）鍋爐設(shè)備、管道支吊系統(tǒng)失效，現(xiàn)場施工人員沒有按圖施工也是造成拉裂的原因之一。

綜上，當前火電機組需重點排查的部位及適用機組類型主要有：

（1）著重關(guān)注主蒸汽管道、再熱熱段管道、高溫集箱、高壓導汽管、汽輪機三抽管道等熱態(tài)位移量大的管道，排查疏水、放空氣、取樣、壓力測點等附屬小口徑管的管接座角焊縫、對接焊縫部位及管道異徑部位。 適用近5 年投產(chǎn)的新建機組。

（2）排查π型爐水平煙道與尾部煙道包墻受熱面交接部位鰭片。 適用巴威超臨界及以上鍋爐。

（3）排查四角切圓燃燒方式鍋爐的二次風箱、燃盡風箱與水冷壁相連的上、下轉(zhuǎn)角部位梳形板角焊縫。 適用上鍋亞臨界、超臨界及以上爐型，部分東鍋超超臨界鍋爐。

（4）排查高溫再熱器進、出口集箱兩側(cè)管接座角焊縫。 投產(chǎn)超過20 年的老機組，可結(jié)合檢修排查；投產(chǎn)3 ～5 年的新建機組，以抽查為主。

（5）排查尾部煙道包墻下集箱兩側(cè)管接座角焊縫、鰭片角焊縫。 適用巴威亞臨界鍋爐的前包墻、上鍋超臨界鍋爐的中隔墻與IHI亞臨界鍋爐的側(cè)包墻。

（6）排查前墻水冷壁、尾部煙道后包墻交叉穿越頂棚部位的鰭片角焊縫。 適用巴威超臨界鍋爐與東鍋超超臨界鍋爐。

（7）其他存在系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)拉裂的機組部件。

當前火電機組運行環(huán)境紛繁復雜，引發(fā)機組金屬結(jié)構(gòu)失效因素日益增加。 為防止金屬失效導致鍋爐爐管爆泄、機組非停等不安全事件發(fā)生，需要把運行、檢修、檢測等方面工作做實做細；未雨綢繆，查清風險因素，從源頭預防和減少金屬失效事件的發(fā)生。