鍋爐后屏再熱器泄漏分析

陳華剛

(國能神皖池州發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 池州 247103)

0 引言

鍋爐再熱器一旦泄漏將造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此通過對泄漏的再熱器管進(jìn)行科學(xué)分析，制定可行的防范措施，將有利于機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。造成鍋爐再熱器受熱面管泄漏失效的主要原因有磨損、過熱、應(yīng)力、疲勞、腐蝕、焊接缺陷、材料原始缺陷等[2]。

1 設(shè)備概況

某電廠1號機(jī)組為320 MW亞臨界機(jī)組，配套哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-1025/17.5-YM30型一次中間再熱控制循環(huán)汽包鍋爐，采用平衡通風(fēng)、四角切圓布置的直流式燃燒器，固態(tài)排渣，設(shè)計燃料為淮北混煤(劉橋礦)，2016年實施貧煤鍋爐改燒煙煤改造后100 %燃燒神華煙煤。該鍋爐再熱器主要由墻式輻射再熱器、后屏再熱器、末級再熱器三個部分組成。后屏再熱器布置在過熱器后屏和后水冷壁懸吊管之間，折焰角的上部，共30屏，以457.2 mm的橫向節(jié)距沿爐寬方向布置。每屏由14根U型管組成，最內(nèi)圈底部出列設(shè)計為底部夾管，材質(zhì)為12Cr1MoVG。管子規(guī)格為φ63 mm×4 mm，底部夾管上部規(guī)格為φ63 mm×4 mm，下部規(guī)格為φ63 mm×7 mm，變徑處為原始加工變徑臺階。該機(jī)組于2005年投產(chǎn)運(yùn)行，至2017年后屏再熱器泄漏，共運(yùn)行7.8萬h。再熱器進(jìn)口蒸汽壓力3.437 MPa、出口蒸汽壓力3.282 MPa，進(jìn)口蒸汽溫度316.1 ℃、出口蒸汽溫度540 ℃，屏式再熱器壁溫?zé)o超限報警。

2 再熱器泄漏情況

運(yùn)行人員現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)1號鍋爐前墻7樓下一層看火門處爐內(nèi)存在異常聲音，經(jīng)專業(yè)判斷為再熱器泄漏。檢查鍋爐排煙溫度、引風(fēng)機(jī)電流、補(bǔ)水量、壁溫?zé)o明顯變化，現(xiàn)場泄漏聲音較小。維持鍋爐低負(fù)荷、低汽壓運(yùn)行，申請機(jī)組調(diào)停。泄漏工況運(yùn)行116 h。

停爐檢查發(fā)現(xiàn)，后屏再熱器從A側(cè)數(shù)第15屏有2根管發(fā)生泄漏，共有7個漏點；一根泄漏管為第15屏第14根夾管，A側(cè)有4個漏點；另一根泄漏管為第15屏外側(cè)數(shù)第7根，U型圈底部管有3個漏點；此外，第15屏第6，8根U型管底部吹損減薄未泄漏，其他管屏此區(qū)域無吹損痕跡。

3 再熱器泄漏原因分析

3.1 宏觀特征分析

第15屏第14根夾管上明顯可見3個漏點分布在焊縫上下，宏觀檢查焊縫外觀質(zhì)量較好，檢查內(nèi)焊縫無明顯未焊透缺陷。漏點處有3個黃銹，一個在焊縫上方，兩個在焊縫下方25 mm處，并且其外表面呈吹損特征。沿泄漏孔處軸向截開，可見變徑臺階處有貫穿裂紋。變徑臺階為原始加工的退刀槽，變徑臺階角度約為45°，變徑處內(nèi)壁有氧化腐蝕現(xiàn)象。

第15屏外側(cè)數(shù)第7根U型圈底部管有3個漏點，漏點處有黃銹，一個漏點附近管材有部分熔融跡象，另一漏點部分邊緣有管材直接剝離痕跡，其他漏點呈現(xiàn)吹損減薄爆管特征。

檢查泄漏的再熱器管表面光滑，無明顯劃痕或其他加工缺陷。泄漏管在鍋爐受熱面由管卡固定，幾乎不存在振動及碰摩情況。

泄漏管子吹灰器吹掃面無明顯吹損痕跡，附近其他管屏也無吹損痕跡，可排除吹灰器吹損減薄導(dǎo)致爆管可能。

檢查泄漏點無典型超溫爆口特征，爆口內(nèi)壁、外壁檢查存在輕微氧化現(xiàn)象。用游標(biāo)卡測量，爐管壁厚為正公差，泄漏管子無明顯脹粗，管內(nèi)無異物，檢查再熱器壁溫測點無超溫報警，可排除超溫導(dǎo)致爆管可能[3]。

3.2 管樣化學(xué)成分分析

使用德國SPECTRO MAXx光譜儀對兩根泄漏管進(jìn)行光譜分析，檢測結(jié)果見表1。

表1 光譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位：%

分析表明，再熱器管材質(zhì)材料主要成分均符合GB/T 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的12CrlMoVG對應(yīng)化學(xué)成分的要求，與設(shè)計材質(zhì)相符，可排除錯用管材引起爆管的可能。

3.3 機(jī)械性能檢測

將第14根夾管(在7 mm厚度側(cè))沿管壁厚度方向剖成4 mm厚，第7根U型圈底部管保留原始內(nèi)外壁，按照圖1加工機(jī)械性能試樣，在CSS-55000電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗。

圖1 拉伸試樣形狀和尺寸

經(jīng)拉伸試驗，測得拉伸性能數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 第14根夾管拉伸試驗結(jié)果

表3 第7根U型圈底部管拉伸試驗結(jié)果

由表2可知，第14根夾管抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延長率全部符合GB/T 5310—2008對12Cr1MoVG的性能要求。

由表3可知，第7根U型圈底部管4號抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限，可能與試樣長期運(yùn)行、強(qiáng)度下降有關(guān)；其余指標(biāo)全部符合GB/T 5310—2008對12Cr1MoVG的性能要求。

3.4 金相組織分析

將泄漏管試樣經(jīng)鑲嵌→粗磨→細(xì)磨→拋光→腐蝕，在德國 Axio-observer AIM金相顯微鏡下觀察分析，結(jié)果表明非金屬氧化物夾雜小于1級。

在第14根夾管焊縫裂紋兩側(cè)取樣進(jìn)行金相檢驗。內(nèi)壁氧化皮絕大部分脫落；變徑臺階處存在裂紋，內(nèi)壁側(cè)裂紋較寬，靠內(nèi)壁裂紋內(nèi)有氧化物，可知裂紋從內(nèi)壁起裂[4]；晶粒度G大于等于6級；漏點近處金相組織為鐵素體+珠光體，組織球化2級。焊接接頭金相組織中沒有非正常組織和焊接缺陷。

在第7根U型圈底部管漏點中心取樣進(jìn)行金相檢驗。晶粒度G大于等于5級，漏點近處金相組織為鐵素體+珠光體，組織球化2級。

通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、機(jī)械性能檢測、金相組織分析等綜合分析，判斷1號鍋爐后屏再熱器第15屏第14根夾管變徑臺階處裂紋為原始泄漏點，它泄漏后嗞破臨近的第7根U型圈底部管，該管被嗞破后又反嗞回來，所以兩根泄漏管均呈吹損特征。

第14根夾管變徑臺階處產(chǎn)生貫穿性裂紋的深層原因是該部件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，采用大角度變徑臺階結(jié)構(gòu)導(dǎo)致該截面產(chǎn)生應(yīng)力集中，使臺階根部易沉積腐蝕產(chǎn)物，應(yīng)力集中區(qū)在內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力等綜合應(yīng)力的作用下率先開裂，腐蝕產(chǎn)物加速裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂紋貫穿泄漏。

4 處理及防范措施

4.1 更換泄漏及吹損超標(biāo)管段

利用停爐機(jī)會，更換后屏再熱器第15屏泄漏及吹損超標(biāo)的4根管段，分別為第15屏第6，7，8根U型圈底部管和第14根夾管，焊口射線檢測合格。

4.2 對泄漏區(qū)域全面進(jìn)行檢查

對后屏再熱器其他29屏夾管變徑臺階位置有無裂紋進(jìn)行射線檢測，檢查結(jié)果正常。對后屏再熱器區(qū)域管道外部宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。考慮到組織老化程度、內(nèi)壁氧化皮和第15屏第7根U型管迎煙氣側(cè)抗拉強(qiáng)度偏低等因素，后期利用機(jī)組檢修機(jī)會再進(jìn)行割管檢查。

4.3 優(yōu)化屏再夾管變徑臺階結(jié)構(gòu)

針對后屏再熱器夾管變徑臺階結(jié)構(gòu)存在的裂紋隱患，經(jīng)研究分析，認(rèn)為可以對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采取的優(yōu)化方式是直接采購φ63 mm×7 mm規(guī)格的夾管，在現(xiàn)場使用坡口機(jī)加工過渡坡口，消除夾管截面突變引起的應(yīng)力集中。利用機(jī)組檢修機(jī)會，分批次對所有1，2號機(jī)組后屏再熱器所有夾管進(jìn)行更換。

5 結(jié)束語

以上通過宏觀檢驗、化學(xué)成分分析、機(jī)械性能檢測、金相組織分析等多種檢測分析手段，對某電廠后屏再熱器泄漏原因進(jìn)行了較全面的分析，判斷原始漏點為后屏再熱器第15屏第14根夾管變徑臺階處裂紋。該部件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致變徑臺階截面產(chǎn)生應(yīng)力集中，在內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力等綜合應(yīng)力的作用下開裂泄漏。結(jié)合現(xiàn)場實際，提出了優(yōu)化變徑臺階的措施，利用機(jī)組檢修機(jī)會實施后，未再發(fā)生同位置泄漏事件，可為同類型機(jī)組的火電廠提供借鑒。