熱電廠鍋爐水冷壁管失效原因探究

黃斌鑫

（新疆圣雄能源股份有限公司，新疆 吐魯番 838000）

0 引言

在熱電廠中，鍋爐水冷壁管、熱交換器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等都是重要的機(jī)組設(shè)備，電廠不間斷供電主要依賴于其設(shè)備和部件的持續(xù)正常運(yùn)行，如果單臺設(shè)備出現(xiàn)故障，整個供電系統(tǒng)將會受到嚴(yán)重的影響。其中，鍋爐水冷壁管內(nèi)部暴露于流動蒸汽的高壓和高溫下，外部暴露于燃燒產(chǎn)物的高溫下，是鍋爐管、蒸汽過熱器元件和化工廠轉(zhuǎn)化管等熱交換系統(tǒng)的關(guān)鍵部件；并且鍋爐水冷壁管主要用于吸收爐膛內(nèi)火焰和高溫氣體流動產(chǎn)生的輻射熱量，具有冷卻和保護(hù)爐壁的作用[1-3]。近年來，在我國發(fā)生了諸多熱電廠非計劃停機(jī)事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，并且對電廠整體運(yùn)行環(huán)境也造成了嚴(yán)重的破壞。經(jīng)過調(diào)查分析，鍋爐水冷壁管泄漏、爆管等原因造成失效是導(dǎo)致事故的主要原因之一。國內(nèi)外諸多學(xué)者對鍋爐水冷壁管失效的原因進(jìn)行了研究，Ghosh[4]等人研究發(fā)現(xiàn)由于鍋爐水冷壁存在焊縫缺陷，水冷壁內(nèi)流體的不穩(wěn)定流動引起的振動載荷，錘擊管壁導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起水冷壁管道失效。Assefinejad[5]等人對失效的水冷壁管進(jìn)行了外觀檢查、尺寸測量、化學(xué)分析、硬度評定、金相及力學(xué)性能測試等綜合分析，從各種試驗結(jié)果可以看出,由于鍍膜水冷壁管長期處于高溫環(huán)境，氧化層厚度較高，沉積物腐蝕是其失效的根本原因。田曉[6]等人研究發(fā)現(xiàn)注氣鍋爐的水冷壁管道的內(nèi)壁存在原始制造缺陷，在鍋爐高溫汽水運(yùn)行工況下，管道向火面的缺陷處逐漸發(fā)生腐蝕溶解，導(dǎo)致壁厚不斷減薄，最終致使管道因剩余壁厚的強(qiáng)度不足而發(fā)生泄漏；宋洋[7]等人研究發(fā)現(xiàn)煤燃料中的硫、氯元素以及硫酸鹽是管道外壁腐蝕的主要因素；徐衛(wèi)仙[8]等人通過分析得到造成水冷壁管爆管的直接原因為爐管沉積物下介質(zhì)濃縮發(fā)生氫腐蝕。

為了減少鍋爐水冷壁管泄漏、爆管等事故造成的嚴(yán)重后果，對其實施科學(xué)合理、實時有效的安全監(jiān)測是熱電廠安全運(yùn)營管理工作的重要內(nèi)容，為熱電廠運(yùn)行事故的預(yù)防處理和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)，有效地減少熱電廠運(yùn)行事故給人民生命財產(chǎn)和生產(chǎn)生活帶來的損失。

因此，本文基于某熱電廠鍋爐水冷壁管泄漏事故進(jìn)行失效原因探究，進(jìn)一步實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和綜合管理，更好地掌握熱電廠的健康現(xiàn)狀，為熱電廠運(yùn)行過程中的風(fēng)險早期識別和預(yù)報預(yù)警提供重要的依據(jù)，對提熱電廠安全運(yùn)行、實施監(jiān)測預(yù)警信息化工程等都有重要的意義。

1 水冷壁管失效事故概況

熱電廠位于新疆維吾爾自治區(qū)某工業(yè)園內(nèi)，設(shè)計總規(guī)模為2400MW（4×300MW＋4×300MW），熱電廠年利用小時數(shù)為6000h，2012年投產(chǎn)使用。鍋爐采用我國自主研發(fā)的單爐膛300MW全鋼構(gòu)架的循環(huán)流化床鍋爐。2020年04月18日運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1#鍋爐爐膛負(fù)壓突增至+1200Pa，立即調(diào)整爐膛負(fù)壓，降低機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力，隨后將汽輪機(jī)手動打閘，發(fā)電機(jī)解列，鍋爐手動BT。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐標(biāo)高25m處，鍋爐左側(cè)前墻水冷壁過熱器吊屏1和過熱器吊屏2之間第66根管道泄漏。

2 水冷壁管檢驗測試

2.1 宏觀檢驗

鍋爐停運(yùn)后對泄漏的第66根水冷壁管道進(jìn)行了宏觀檢驗，水冷壁管的整體外表面均呈現(xiàn)腐蝕、點蝕和蠕變的特征，局部還存在有凹坑，距離圓形爆口37.0mm處存在橢圓形補(bǔ)焊點；管道內(nèi)壁存在嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，最大垢層厚度為1.0mm。第66根水冷壁管道存在兩處漏點，一處呈圓形爆口，直徑為40.0mm，如圖1（a）所示；另一處漏點處于爆口位置下方300.0mm處，呈縱向爆口，長度為50.0mm，寬為3.0mm，如圖1（b）所示。

圖1 水冷壁管道宏觀檢驗

2.2 壁厚檢測

由圖1可以看出，第66根水冷壁管道的漏點均發(fā)生在向火面，利用游標(biāo)卡尺對水冷壁管道進(jìn)行壁厚檢測，爆口邊緣最小壁厚為2.2mm，背火面的壁厚為5.0mm；并且對爆管位置周圍10根水冷壁管道進(jìn)行測厚檢查，除明顯因爆管、泄漏原因造成的吹損位置，其余位置測厚數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求的最小 壁厚。

2.3 化學(xué)成分分析

該熱電廠鍋爐水冷壁管采用20G鋼，水冷壁管材料的化學(xué)成分是保證其力學(xué)性能和安全使用的前提，因此對第66根水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析。分別在距離圓形爆口30.0mm處和距離縱向爆口右側(cè)30.0mm處取樣，并對后期新更換的水冷壁管也取樣，采用FOUNDERY-MASTERPRO全譜直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，2個檢測試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)范中對20G鋼的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 水冷壁管化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

2.4 力學(xué)性能測試

從第66根水冷壁管材中提取試樣和機(jī)械加工試樣，采用微機(jī)控制的電子萬能試驗機(jī)（UTM5305）和布氏硬度計（TXHB-3000T）對材料力學(xué)性能進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中水冷壁管力學(xué)性能分析結(jié)果，參照GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)范中對20G鋼的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求。第66根水冷壁管的縱向爆口處試樣的硬度和強(qiáng)度未發(fā)現(xiàn)明顯異常；但圓形爆口處試樣的硬度和抗拉強(qiáng)度均不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 要求。

表2 水冷壁管力學(xué)性能分析結(jié)果

3 失效原因分析與討論

通過對第66根水冷壁管道的宏觀檢驗、壁厚檢測、化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試。結(jié)果表明，失效的水冷壁管道出現(xiàn)圓形爆口和縱向爆口，并且在圓形爆口處的硬度和抗拉強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且距離該處37mm處有明顯的補(bǔ)焊點；其余的各項指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過核查熱電廠運(yùn)行維修記錄發(fā)現(xiàn)，在2018年6月曾對第66根水冷壁管道進(jìn)行補(bǔ)焊維修，從爆口位置檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有焊接燒穿現(xiàn)象，存在焊接缺陷。

分析認(rèn)為是由于焊接環(huán)節(jié)存在錯誤而形成的燒穿缺陷破壞了焊接部位的均勻連續(xù)性，焊接處管壁長時間處于高溫的狀態(tài)下，各部位受熱不均勻而形成過大的熱應(yīng)力；通過力學(xué)性能試驗發(fā)現(xiàn)圓形爆口附近部位硬度高、脆性大的特點，當(dāng)熱應(yīng)力作用于該區(qū)域時，無法通過有效的塑性變形釋放應(yīng)力，造成該區(qū)域應(yīng)力集中程度加??；在運(yùn)行過程中管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力和附加應(yīng)力集中導(dǎo)致焊接缺陷擴(kuò)大和產(chǎn)生局部裂紋，水冷壁泄漏吹損減薄，進(jìn)一步形成爆口，致使水冷壁失效。

4 結(jié)語

鍋爐水冷壁管是熱電廠重要的機(jī)組設(shè)備，為了實現(xiàn)鍋爐管、蒸汽過熱器元件和化工廠轉(zhuǎn)化管等熱交換系統(tǒng)的熱量傳遞，需要長時間在高溫的環(huán)境中運(yùn)行。因此，鍋爐水冷壁極容易由于材料缺陷、熱疲勞、氧化、腐蝕、蠕變和焊接等原因，導(dǎo)致出現(xiàn)泄漏和爆管等各種故障，影響整個供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了減少鍋爐水冷壁管失效造成的嚴(yán)重后果，對其實施科學(xué)合理、實時有效的安全監(jiān)測是熱電廠安全運(yùn)營管理工作的重要內(nèi)容。

本文基于某熱電廠鍋爐水冷壁管泄漏事故進(jìn)行失效原因探究，發(fā)現(xiàn)水冷壁管道焊接質(zhì)量是影響水冷壁管道使用壽命的主要原因之一，焊接缺陷如咬邊、氣孔、未熔合、燒穿和裂紋等都是降低焊接質(zhì)量的直接原因。因此，通過完善焊接工藝，合理選擇焊接材料，構(gòu)建良好的焊接環(huán)境，選擇X射線、超聲波等技術(shù)對管道裂紋進(jìn)行無損檢測，及時發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，提高水冷壁管道的焊接質(zhì)量，保證熱電廠的正常運(yùn)行。