某超臨界機(jī)組鍋爐后屏過(guò)熱器爆管事故分析

衣 力

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036）

1 鍋爐概況

某電廠一臺(tái)600 MW機(jī)組鍋爐,投產(chǎn)于2006年12月,原設(shè)計(jì)參數(shù)為25.4 MPa,543 ℃,額定主蒸汽流量1 953 t/h。2014年9月12日,《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020）》的通知要求：到2020年,現(xiàn)役600 MW等級(jí)及以上機(jī)組的供電煤耗低于300 g/(kW.h),NOx排放濃度小于50 mg/Nm3。本臺(tái)鍋爐是上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)的第一批超臨界鍋爐,當(dāng)時(shí)由于使用單位的特殊要求,將主蒸汽溫度設(shè)定在543 ℃,降低了整個(gè)機(jī)組的效率,且較主蒸汽溫度為571 ℃的發(fā)電機(jī)組,其單位發(fā)電煤耗較高。同時(shí),當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),無(wú)法投運(yùn)SCR脫硝系統(tǒng)。所以,使用單位于2015年10月,對(duì)本臺(tái)鍋爐進(jìn)行了提高主蒸汽出口溫度的改造,并同時(shí)增加主蒸汽流量,以增加機(jī)組銘牌出力。改造后機(jī)組的銘牌功率提高至650 MW,主蒸汽溫度從543 ℃提高到571 ℃,BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況下主汽流量從1 953 t/h增加到2 068 t/h。

本次改造主要是對(duì)末級(jí)過(guò)熱器管排、末級(jí)過(guò)熱器集箱、主蒸汽管道等承壓部件及主蒸汽管道支吊架進(jìn)行更換與調(diào)整,其余承壓部件未進(jìn)行變動(dòng)。2015年12月,改造結(jié)束,鍋爐點(diǎn)火調(diào)試完畢后,正常運(yùn)行。

截至本次爆管事故發(fā)生時(shí),累計(jì)運(yùn)行時(shí)間接近10萬(wàn) h。

2 本次事故經(jīng)過(guò)及現(xiàn)場(chǎng)檢查處理情況

2020年某日 19時(shí)20分,鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)。翌日 9時(shí)7分,機(jī)組并網(wǎng)。10時(shí)15分,轉(zhuǎn)干態(tài)。同日10時(shí)30分,監(jiān)盤(pán)發(fā)現(xiàn)后屏過(guò)熱器管壁溫度測(cè)點(diǎn)05-BATP441B442R442T偏高（最高602 ℃左右,與相鄰管壁溫度偏差180 ℃左右）,超過(guò)報(bào)警值（560 ℃）。管點(diǎn)對(duì)應(yīng)分別為441B（后屏第15屏第3管壁溫度點(diǎn)）、442R（后屏第16屏第1管壁溫度點(diǎn)）、442T（后屏第18屏第1管壁溫度點(diǎn)）,見(jiàn)圖1。

圖1 溫度測(cè)點(diǎn)監(jiān)盤(pán)圖

12時(shí)43分,管壁溫度點(diǎn)442T從580 ℃突升到609 ℃后,突降到465 ℃,恢復(fù)正常。12時(shí)50分左右,相關(guān)技術(shù)人員到控制室商量。CRT（電廠控制系統(tǒng)顯示屏）顯示超溫管為第#1管、第#3管,認(rèn)為#1管、#3管在管屏外圈,此管管材為T(mén)P347H（最高允許工作溫度可達(dá)660 ℃）,鑒于剛轉(zhuǎn)為干態(tài)及超溫實(shí)際情況,爐內(nèi)煙溫較高,管壁溫度較汽溫相應(yīng)增加50 ℃左右,因此確定該點(diǎn)溫度按照不超610 ℃控制,商議可以適當(dāng)加大減溫水量,降低后屏入口溫度,進(jìn)行低參數(shù)大流量變負(fù)荷振蕩沖洗。13時(shí)20分,經(jīng)參數(shù)振蕩沖洗后,441B從590 ℃突升到600 ℃后,突降到445 ℃,恢復(fù)正常；管壁溫度442R多次振蕩后沒(méi)有突變現(xiàn)象,但有緩慢上升的趨勢(shì),最高到607 ℃,繼續(xù)觀察并進(jìn)行參數(shù)振蕩沖洗。

16時(shí)33分,交接班后第1次振蕩,屏過(guò)管壁溫度442R基本無(wú)變化。17時(shí)42分,第2次振蕩結(jié)束,發(fā)現(xiàn)屏過(guò)管壁溫度442R突降至正常值,就地檢查,發(fā)現(xiàn)鍋爐12樓西側(cè)聲音偏大,汽水偏差有變大趨勢(shì)。匯報(bào)值長(zhǎng),與檢修、點(diǎn)檢聯(lián)合判斷后屏442R該超溫點(diǎn)管爆漏。監(jiān)盤(pán)大屏見(jiàn)圖2。21時(shí)15分,鍋爐主燃料跳閘（MFT）。

圖2 監(jiān)盤(pán)大屏

停爐冷卻后進(jìn)爐膛檢查發(fā)現(xiàn),后屏第16屏（對(duì)應(yīng)管壁溫點(diǎn)442R屏）中間管（#21管）爆漏,管材為SA213-T23,規(guī)格為φ44.5 mm×7.14 mm。并非CRT上對(duì)應(yīng)442R的第1管壁溫度點(diǎn),因此確認(rèn)壁溫點(diǎn)編制方向與實(shí)際認(rèn)為的不一致。后屏第16屏爆口在出口段U型彎頭向上5 000 mm位置,爆口呈喇叭狀,管口折彎,破口邊緣減薄明顯,管折彎后的開(kāi)口最長(zhǎng)處約110 mm,寬度方向約70 mm。爆口上下管子外壁無(wú)長(zhǎng)期過(guò)熱跡象,爆口部位有局部豎向微裂紋,管無(wú)明顯脹粗,爆漏后在強(qiáng)大沖擊力下,出口端穿過(guò)了末級(jí)再熱器管排,整圈#21管甩出折彎,爆口對(duì)向B側(cè)起第11排管屏,高再管B側(cè)起第10屏北側(cè)起第1根管～第3根管、第5根管～第10根管均有不同程度吹損,其中第2根管、第3根管伴有砸傷,管材為T(mén)P304H,規(guī)格為φ63.5 mm×4.23 mm；高再管B側(cè)起第11屏北側(cè)起第5根管～第18根管均有不同程度吹損,其中第14根管～第16根管吹損嚴(yán)重,管材為SA213-T91,規(guī)格為φ63.5 mm×3.76 mm。入口端穿過(guò)后屏第17屏,該爆管屏內(nèi)2～7管圈出列嚴(yán)重。管屏損傷情況見(jiàn)圖3、圖4,爆口情況見(jiàn)圖5。

圖3 管屏損傷情況

圖4 爆管出列情況

圖5 爆口圖

由于計(jì)劃于2021年2月對(duì)后屏進(jìn)行改造,本次搶修如恢復(fù)整個(gè)U型耗時(shí)會(huì)比較長(zhǎng),首先下部小R彎頭彎制時(shí)間很長(zhǎng),其次靠近頂棚處接口管彎曲,恢復(fù)困難,因此考慮臨時(shí)處理。處理方案有2個(gè)：1）在爐頂大罩內(nèi)將進(jìn)出口管口悶堵,爐內(nèi)管割除,這樣影響較小,工作快捷,但是由于大罩內(nèi)溫度高,冷卻速度慢,要等很長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)入大罩內(nèi)焊接悶頭,此方案不合適；2）在爐內(nèi)上部短接,彎制彎頭拼接,可能對(duì)管流量有一些影響,由于管子數(shù)量多,影響可以忽略。因此為搶時(shí)間,采取在爐內(nèi)短接方案。將后屏A-B第16屏最內(nèi)圈更換為短接U型,短接U型的材質(zhì)為T(mén)P347H（事先準(zhǔn)備好的彎管）,管規(guī)格為φ47.6 mm×8.74 mm。此U型管拼接后共5個(gè)焊口。

現(xiàn)場(chǎng)搶修焊接工作全部完成后,對(duì)全部后屏管進(jìn)行氧化皮拍片檢查,未發(fā)現(xiàn)有大量堆積,只有B側(cè)第8屏北側(cè)起第19根管有少量氧化皮堆積。

3 異常原因分析

本次后屏過(guò)熱器爆管的管子材質(zhì)為SA213-T23,規(guī)格為φ44.5 mm×7.14 mm。ASME SA-213T23鋼是日本于20世紀(jì)80年代研制的一種用于超臨界發(fā)電機(jī)組的新型低合金高強(qiáng)度耐熱鋼[1]。該鋼是在2.25Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上,加鎢、減鉬、降低碳含量,同時(shí)加入了少量的鈮、釩、硼元素,使鋼的持久強(qiáng)度大幅度提高,在550～625 ℃溫度范圍內(nèi)許用應(yīng)力約是2.25Cr-1Mo鋼的1.8倍,幾乎可與 T91鋼相媲美,其焊接性能優(yōu)異,不需焊前預(yù)熱和焊后熱處理[2,3]。

從近20年的使用情況看,該材料在高參數(shù)情況下易被蒸汽氧化以及焊接接頭易產(chǎn)生裂紋,現(xiàn)已逐步退出高參數(shù)鍋爐選材范圍。有研究表明,從微觀尺度上看,T23鋼氧化皮分層現(xiàn)象極為顯著,層間存在大量空洞、微裂紋和缺陷,其應(yīng)用于亞臨界機(jī)組并導(dǎo)致的堵塞爆管事故極多。仍然有超臨界機(jī)組的高溫受熱面的入口段使用T23鋼,從其氧化皮結(jié)構(gòu)和剝落特征來(lái)看,T23鋼氧化皮剝落的隱患始終是存在的,幾乎不存在穩(wěn)定期[4]。

觀察爆口的形貌,爆管部位管子爆口張開(kāi)較大,且呈喇叭狀,破口邊緣銳利、兩側(cè)壁厚明顯減薄。尺寸：長(zhǎng)110 mm×寬70 mm。邊緣減薄較多,內(nèi)壁受蒸汽沖刷表面光滑,爆口外壁存在多處縱向蠕變裂紋,短時(shí)過(guò)熱爆管特征明顯。

對(duì)該管取樣進(jìn)行化學(xué)元素成分分析,見(jiàn)表1,可以看出,其化學(xué)元素成分與含量符合ASME SA213M標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果 %

對(duì)該管爆口附近（距爆口上、下邊緣50 mm處,分別編號(hào)為測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2）進(jìn)行外觀尺寸測(cè)量,見(jiàn)表2,可以看出,該管子正常部位脹粗量正常,壁厚減薄量在允許范圍內(nèi)。

表2 外觀尺寸測(cè)量

后屏過(guò)熱器在正常運(yùn)行工況下,后屏進(jìn)口汽溫小于450 ℃,經(jīng)過(guò)吸熱后一般到510 ℃左右,考慮到高溫?zé)煔鉁囟?再增加60 ℃,爐內(nèi)管壁溫大致推算為570 ℃,也在材料的允許溫度范圍內(nèi),一般不會(huì)引起爆管。要達(dá)到類(lèi)似本次的超溫爆管,大致推算管壁溫度要超過(guò)625 ℃。另外結(jié)合爆口宏觀形貌分析,該根后屏過(guò)熱器管爆口呈現(xiàn)比較典型的短時(shí)過(guò)熱爆管特征,系超溫幅度大導(dǎo)致。

從CRT看,從啟動(dòng)轉(zhuǎn)干態(tài)后,該點(diǎn)05-BATP442R溫度一直較高,超過(guò)報(bào)警值（560 ℃）,后緩慢上升到超過(guò)600 ℃,爐內(nèi)管壁溫度將超過(guò)650 ℃,大大超過(guò)T23鋼溫度允許值。

超溫應(yīng)該與機(jī)組啟動(dòng)初期該管屏內(nèi)蒸汽汽流不暢受堵塞有關(guān)。而堵塞可能與內(nèi)部異物、水塞或內(nèi)壁剝落氧化皮等因素有關(guān)。

研究表明：T23鋼制過(guò)熱器管在570 ℃、25.4 MPa下運(yùn)行10 874 h后內(nèi)壁氧化層厚已達(dá)0.12～0.26 mm,脫落掉的氧化層厚度為0.09～0.12 mm,且同一根管樣在不同位置內(nèi)壁氧化層厚度存在較大的差異。T23鋼過(guò)熱器管內(nèi)壁氧化皮脫落形式有大片狀和橢圓狀,氧化皮形成鼓包而脫落,在管內(nèi)壁留下橢圓狀的脫離斑痕,鼓包一般呈橢圓狀,焊接接頭形狀變化處的氧化皮易呈鱗片狀脫落[5]。

從本次爆管來(lái)看,初步判定由管內(nèi)氧化皮堵塞引起。主要原因如下：

1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)干態(tài)后,發(fā)現(xiàn)有3根管管壁溫度偏高,分別是05-BA-TP441B442R442T,經(jīng)過(guò)變負(fù)荷參數(shù)振蕩后有2根管管壁溫度下降到正常值,分別是05-BA-TP441B442T,應(yīng)該是內(nèi)部氧化皮脫落堵塞后經(jīng)過(guò)參數(shù)振蕩沖通。

2）對(duì)于超臨界鍋爐,氧化皮的生成和剝落堆積是不可避免的,且具有隨機(jī)性。脫落的T23鋼氧化皮呈片狀,當(dāng)?shù)拓?fù)荷汽流量小時(shí)不一定能將其帶走,就有可能堆積在下部彎頭區(qū)域?qū)е職饬鞑煌?引起管壁超溫。自機(jī)組投產(chǎn)以來(lái),也不可避免地發(fā)生多次因氧化皮剝落堆積造成爐管爆管的停爐事件。

3）該根爆漏管內(nèi)壁有較厚氧化皮,并有局部脫落的現(xiàn)象,見(jiàn)圖6。

圖6 爆漏管內(nèi)壁氧化皮

4）機(jī)組在本次調(diào)停時(shí)進(jìn)行了停機(jī)不停爐試驗(yàn),在停機(jī)過(guò)程中因主汽壓力設(shè)定值與實(shí)際壓力偏差,發(fā)電機(jī)逆功率跳閘聯(lián)跳汽機(jī),鍋爐MFT動(dòng)作。跳機(jī)后鍋爐馬上又點(diǎn)火繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),導(dǎo)致主汽溫度變化速率達(dá)到近10 ℃/min,如圖7所示,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了溫度變化速率標(biāo)準(zhǔn)（3 ℃/min）,可能會(huì)引起氧化皮疏松脫落。

圖7 主蒸汽溫度曲線

5）停機(jī)后,對(duì)后屏進(jìn)行內(nèi)部彎頭氧化皮堆積檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)有堆積現(xiàn)象。在機(jī)組啟動(dòng)階段,有可能會(huì)引起疏松的氧化皮脫落（搶修結(jié)束后,對(duì)后屏檢查,發(fā)現(xiàn)個(gè)別管內(nèi)有氧化皮脫落現(xiàn)象,見(jiàn)圖8）。

圖8 后屏B5-21彎頭氧化皮堆積底片

6）高再換管割下的管內(nèi)有氧化皮脫落的現(xiàn)象,并且內(nèi)壁氧化皮疏松,有隨機(jī)脫落的可能,見(jiàn)圖9。

圖9 高再換管內(nèi)壁氧化皮

由此說(shuō)明氧化皮脫落存在隨機(jī)性。

鑒于以上情況分析,本次爆管是由氧化皮堆積引起短期超溫的可能性比較大。

4 暴露的問(wèn)題

1）機(jī)組調(diào)停時(shí)進(jìn)行了停機(jī)不停爐試驗(yàn),導(dǎo)致主汽溫度變化速率達(dá)到近10 ℃/min,超過(guò)防氧化皮防治措施中的要求。

2）后屏壁溫測(cè)點(diǎn)#1實(shí)際設(shè)置部位與原始設(shè)置不一致,以為該壁溫點(diǎn)05-BA-TP442R對(duì)應(yīng)管材為T(mén)P347H,因此控制溫度定為610 ℃,這加速了T23鋼管爆管進(jìn)程。如果當(dāng)時(shí)確認(rèn)是SA213-T23管,則會(huì)將壁溫控制在575～580 ℃范圍內(nèi)。由于剛轉(zhuǎn)干態(tài),投脫硝系統(tǒng),溫度要往下降也困難,升負(fù)荷更不可能,可能會(huì)在580 ℃左右運(yùn)行較長(zhǎng)一段時(shí)間,除非氧化皮沖通或者停爐后處理,否則也會(huì)導(dǎo)致超溫爆管。

3）鍋爐增容改造后,對(duì)于后屏過(guò)熱器來(lái)說(shuō),管內(nèi)壓力、煙氣溫度及進(jìn)汽溫度均有提高,屏過(guò)又處在爐膛高煙溫區(qū)域,因此運(yùn)行環(huán)境更加惡劣,易生成氧化皮。后屏過(guò)熱器受熱面管子的規(guī)格、材質(zhì)、設(shè)計(jì)壁溫見(jiàn)表3。

表3 后屏過(guò)熱器設(shè)計(jì)資料

5 預(yù)防措施

1）按照鍋爐廠提供的鍋爐改造方案熱力計(jì)算匯總表(見(jiàn)表4),后屏過(guò)熱器出口汽溫改為511 ℃,需加強(qiáng)對(duì)后屏汽溫的控制,適當(dāng)提高一級(jí)減溫水比例,盡量保證不超溫；

表4 熱力計(jì)算匯總表 ℃

2）鍋爐升級(jí)改造后,實(shí)際提高了各受熱面的進(jìn)口溫度,壓力和煙溫都有提高。應(yīng)盡快進(jìn)行管材升級(jí)改造,減少氧化皮產(chǎn)生、剝落對(duì)鍋爐的風(fēng)險(xiǎn)；

3）核對(duì)受熱面壁溫測(cè)點(diǎn),與實(shí)際位置一致,并在受熱面布置圖上正確標(biāo)注；

4）梳理并統(tǒng)計(jì)后屏管壁溫度,對(duì)運(yùn)行中管壁溫度長(zhǎng)期超過(guò)530 ℃的SA213-T23管子,檢修時(shí)對(duì)其高溫段進(jìn)行割管取樣分析,檢測(cè)高溫力學(xué)性能、金相組織等材料劣化狀況；

5）停爐檢修時(shí),對(duì)受熱面管下彎頭部位進(jìn)行氧化皮堆積檢測(cè)抽查,有條件時(shí),對(duì)受熱面管內(nèi)壁進(jìn)行氧化皮厚度測(cè)量,監(jiān)控內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生和脫落情況；

6）建議對(duì)鍋爐運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行修訂,增加如下內(nèi)容：調(diào)停機(jī)組停運(yùn)時(shí),原則上不安排易引起氧化皮脫落的試驗(yàn)。