某320 MW亞臨界鍋爐水冷壁爆管失效分析

宋理彬

(國(guó)能神皖池州發(fā)電有限責(zé)任公司, 安徽 池州 247100)

0 引言

某電廠2號(hào)鍋爐為型號(hào)HG-1025/17.5-YM30的亞臨界、一次中間再熱、控制循環(huán)汽包爐。2011年汽輪機(jī)通流部分增容改造，機(jī)組銘牌出力由300 MW增容至320 MW。

2020年7月份，2號(hào)鍋爐水冷壁發(fā)生泄漏，機(jī)組被迫停運(yùn)。爆管當(dāng)天，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷320 MW，冷再、熱再供熱每小時(shí)流量約50～80 t/h。A、C爐水循環(huán)泵運(yùn)行，B爐水循環(huán)泵備用。17點(diǎn)16分發(fā)現(xiàn)2號(hào)爐“爐管泄漏”通道6數(shù)值由0升至107%，就地傾聽(tīng)2號(hào)爐B側(cè)標(biāo)高43米爐膛內(nèi)部有較大泄漏聲。停爐檢查，發(fā)現(xiàn)水冷壁前墻標(biāo)高41米處B側(cè)往A側(cè)數(shù)第35根水冷壁發(fā)生泄漏。至該處水冷壁管泄漏時(shí)2號(hào)鍋爐累計(jì)連續(xù)運(yùn)行總小時(shí)數(shù)為10.3萬(wàn)小時(shí)，水冷壁管材質(zhì)為SA-210A1，規(guī)格為Ф44.5×5.08 mm內(nèi)螺旋管。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢查及處理情況

停爐后現(xiàn)場(chǎng)檢查，對(duì)第35根泄漏管、27至36根吹損管共10根水冷壁管進(jìn)行更換處理，恢復(fù)密封盒與澆注料。同時(shí)對(duì)下水包進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)前墻261只節(jié)流孔板脫落17只，如圖1所示；卡箍脫落19只，松動(dòng)4只，如圖2所示。對(duì)第35根管爆口管進(jìn)行內(nèi)窺鏡及通冰球試驗(yàn)，均無(wú)異常。

圖1 節(jié)流孔板脫落

圖2 脫落卡箍

2 水冷壁管過(guò)熱爆管原因分析

水冷壁是布置在鍋爐四周的蒸發(fā)受熱面，鍋爐給水經(jīng)過(guò)水冷壁管吸收爐膛輻射熱和對(duì)流熱，經(jīng)過(guò)加熱的給水在一定壓力和溫度下汽化產(chǎn)生飽和蒸汽。若水冷壁管內(nèi)發(fā)生水塞、燃燒器火焰偏斜或者管壁結(jié)垢?jìng)鳠釔夯仍颍荒芗皶r(shí)將熱量吸收并帶走，則出現(xiàn)管壁過(guò)熱爆管。按照過(guò)熱爆管時(shí)長(zhǎng)分為長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱爆管[1]和短時(shí)過(guò)熱爆管[2]兩種。

水冷壁管偏離正常設(shè)計(jì)工況，超溫幅度不大，一般不超過(guò)鋼材臨界溫度AC1，高溫應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，管子由于原子擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致鋼材金相組織發(fā)生變化，使蠕變速度加快，持久強(qiáng)度降低，因此管子達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命就提前爆破損壞。

通過(guò)爆口宏觀檢查，爆口向、背火側(cè)金相及力學(xué)試驗(yàn)對(duì)比分析，為爆口附近材質(zhì)是否存在長(zhǎng)時(shí)超溫提供依據(jù)。

2.1 宏觀檢查

第35屏管爆口宏觀特征如圖3所示，由外觀判斷爆口呈鼓包狀，開(kāi)口較小，長(zhǎng)約80 mm，最大寬度為10 mm，爆口邊緣減薄不多，具有典型長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱爆口特征?，F(xiàn)場(chǎng)檢查，第35根泄漏管及相鄰管吹損，如圖4所示。

圖3 爆管宏觀形貌

圖4 爆管處外觀特征

2.2 蠕變及壁厚檢測(cè)

分別在爆口處、焊縫下側(cè)約40 mm及200 mm處取環(huán)形試樣編號(hào)為1、2、3，如圖5所示，并對(duì)管外徑蠕變及壁厚進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出，1、2及3處的外徑蠕變應(yīng)變均大于3.5%，管樣呈現(xiàn)脹粗跡象，1處的減薄率為40.75%，2、3處未出現(xiàn)減薄現(xiàn)象。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438-2016相應(yīng)規(guī)定[3]，碳素鋼管外徑最大蠕變應(yīng)變不超過(guò)3.5%，壁厚減薄量不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)壁厚的30%。

圖5 環(huán)形試樣取樣位置

表1 爆管外徑及壁厚檢測(cè)

2.3 元素材質(zhì)分析

使用全定量光譜儀對(duì)試樣管進(jìn)行光譜檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出，水冷壁管1、2及3處的材質(zhì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，不存在錯(cuò)用材質(zhì)情況[4]。

表2 爆口樣材質(zhì)的主要化學(xué)成分含量與國(guó)外現(xiàn)行ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比 單位：wt%

2.4 金相分析

對(duì)第35根爆管爆口處及焊縫下側(cè)約40 mm處所取環(huán)形1、2進(jìn)行金相分析。圖6～圖9分別表示爆管所取試樣1、2的金相顯微組織。

(a)外側(cè)金相組織100× (b)內(nèi)側(cè)金相組織100×

(c)外側(cè)金相組織100× (d)內(nèi)側(cè)金相組織100×

(e)向火側(cè)金相組織200× (f)向火側(cè)金相組織500×

分析圖6(e)、(f)爆口中心處金相顯微組織為鐵素體+珠光體，片狀珠光體區(qū)域分散，部分碳化物向晶界聚集，呈鏈狀和條狀分布，珠光體球化等級(jí)為4級(jí)。內(nèi)外壁組織中均可見(jiàn)蠕變孔洞，距爆口邊緣1 000 μm內(nèi)的內(nèi)外壁組織中均存在蠕變孔洞，內(nèi)外壁表面均存在有一層氧化皮。

爆口背火側(cè)組織如圖7所示，為鐵素體+珠光體，組織形態(tài)正常，珠光體球化等級(jí)為2.5級(jí)。

(a)外側(cè)金相組織100× (b)內(nèi)側(cè)金相組織100×

(c)背火側(cè)金相組織200× (d)背火側(cè)金相組織1000×

爆口焊縫下側(cè)向火側(cè)組織如圖8所示，為鐵素體+珠光體，組織形態(tài)正常，珠光體球化等級(jí)為3.5級(jí)，考慮向火側(cè)受到鍋爐運(yùn)行已超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，該組織為水冷壁爐管正常老化組織。

(a)向火側(cè)金相組織200× (b)向火側(cè)金相組織500×圖8 試樣2爆口焊縫下側(cè)向火側(cè)金相顯微組織

爆口焊縫下側(cè)背火側(cè)組織如圖9所示，為鐵素體+珠光體，珠光體球化等級(jí)為2級(jí)；老化等級(jí)略低于向火側(cè)，這是因?yàn)橄蚧饌?cè)直接受爐膛煙氣輻射換熱與背火側(cè)所處的溫度水平不相同的緣故。

(a)背火側(cè)金相組織200× (b)背火側(cè)金相組織500×圖9 試樣2爆口焊縫下側(cè)背火側(cè)金相顯微組織

2.5 硬度檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn)：第1部分 試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)[5]，從表3布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水冷壁爆口中心處徑向截取試樣1向火側(cè)的硬度值低于標(biāo)準(zhǔn)值，背火側(cè)的硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)，水冷壁爆口焊縫下方徑向截取試樣2向火側(cè)的硬度值接近標(biāo)準(zhǔn)值下限，背火側(cè)的硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表3 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.6 力學(xué)性能檢驗(yàn)

使用CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)爆口中心向火側(cè)和背火側(cè)進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)[6]?？估瓘?qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率A均符合GB 5310標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍，但向火側(cè)試樣的抗拉強(qiáng)度及斷口伸長(zhǎng)率明顯低于背火側(cè)，同時(shí)接近標(biāo)準(zhǔn)的下限值。

表4 試樣1的力學(xué)性能試驗(yàn)

2.7 水冷壁垢樣分析

對(duì)前墻水冷壁高負(fù)荷區(qū)割管取樣進(jìn)行結(jié)垢分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，編號(hào)為2021188-3水冷壁試樣垢量超過(guò)250 g/m2，需要進(jìn)行化學(xué)清洗[7]。

表5 垢樣分析 單位：g/m2

3 原因分析及討論

第35根水冷壁泄漏管化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，背火側(cè)金相組織無(wú)異常，珠光體出現(xiàn)輕微球化現(xiàn)象，硬度值、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這表明該根管用材正常。同時(shí)該管段外徑發(fā)生不同程度的脹粗現(xiàn)象，高于DL/T 438標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.5%的上限，爆口處的管外徑蠕變應(yīng)變達(dá)到16.22%。爆口處表現(xiàn)出蠕變斷裂脆性斷口的形貌特征且破口附近有眾多平行于破口的縱向裂紋，爆口及邊緣部位金相組織中珠光體片層分散，碳化物出現(xiàn)嚴(yán)重球化，這表明該管段處于長(zhǎng)時(shí)超溫情況下運(yùn)行[8]。

爆口焊縫下側(cè)2、3處雖未出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，但壁厚略有增加，主要原因是水冷壁運(yùn)行工況惡劣，爐內(nèi)煙氣粉塵量大，煙氣中熔融灰渣沉積管壁表面，煙氣中的大顆粒粉塵進(jìn)一步吸附在熔融層的表面，使得管壁結(jié)渣，測(cè)量壁厚略有增加。

#2爐25米爐前墻水冷壁向火側(cè)結(jié)垢分析，結(jié)垢量高達(dá)到357.4 g/m2，垢樣超標(biāo)，水冷壁換熱能力降低，熱疲勞加劇。

水冷壁管在設(shè)計(jì)應(yīng)力以及額定溫度下運(yùn)行時(shí)，金屬也會(huì)產(chǎn)生一定速度下允許的蠕變，屬于正常范圍；隨著使用溫度升高，蠕變速度加快。破口處向火側(cè)顯微組織出現(xiàn)珠光體嚴(yán)重球化及顯微組織出現(xiàn)沿晶蠕變裂紋的現(xiàn)象，均表明該管材經(jīng)受了AC1以下溫度的長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱，變形抗力即蠕變極限下降。許多彎曲的蠕變晶間裂紋使得斷裂面呈現(xiàn)粗糙且不平整及破口邊緣較鈍的形貌特征，管子在高溫及內(nèi)部介質(zhì)壓力共同作用下，一般會(huì)有某種程度的管徑變形脹粗現(xiàn)象，但不會(huì)很顯著。

4 結(jié)論

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查、檢驗(yàn)試驗(yàn)并結(jié)合檢修及運(yùn)行情況認(rèn)為第35根水冷壁管長(zhǎng)時(shí)超溫運(yùn)行蠕變變形加劇，垢樣超標(biāo)，水冷壁換熱能力降低，熱疲勞加劇，水冷壁節(jié)流環(huán)卡箍脫落，水冷壁管內(nèi)水動(dòng)力不足，320 MW滿負(fù)荷同時(shí)冷再、熱再供熱，鍋爐超出力運(yùn)行導(dǎo)致水冷壁局部熱負(fù)荷偏高是本次水冷壁爆管的主要原因。

針對(duì)泄漏原因，建議采取以下處理及預(yù)防措施：

(1)恢復(fù)脫落的水冷壁節(jié)流環(huán)，對(duì)卡箍進(jìn)行加固，避免異物進(jìn)入水冷壁管節(jié)流形成管壁超溫運(yùn)行。

(2)單機(jī)冷再、熱再供熱，機(jī)組負(fù)荷限制在310 MW，避免鍋爐超出力運(yùn)行。

(3)水冷壁垢樣超標(biāo)，應(yīng)結(jié)合機(jī)組檢修進(jìn)一步進(jìn)行水冷壁最高結(jié)垢量分析，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)2號(hào)鍋爐進(jìn)行酸洗。

(4)增加前墻標(biāo)高41米水冷壁壁溫測(cè)點(diǎn)，在線觀察壁溫是否有長(zhǎng)時(shí)超溫過(guò)熱現(xiàn)象。

(5)開(kāi)展鍋爐空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)、熱負(fù)荷偏燒試驗(yàn)，避免局部熱負(fù)荷偏高水冷壁管發(fā)生膜態(tài)沸騰。

(6)有計(jì)劃地對(duì)該標(biāo)高位置的水冷壁管進(jìn)行宏觀、蠕脹、壁厚、金相檢查。