循環(huán)流化床鍋爐屏式過熱器拉裂原因分析及預防

陳永生

（福建華電電力工程有限公司 福州 350003）

大型循環(huán)流化床鍋爐爐膛內廣泛使用屏式受熱面,以維持合理的床溫和爐膛出口溫度,結構多為L型,下部穿過前墻水冷壁與前墻集箱連接,上部穿過頂棚水冷壁與爐頂集箱連接,整個受熱面自下向上膨脹。屏式受熱面雙面曝光受熱,壁溫較水冷壁高很多,因此與水冷壁之間存在膨脹差,同時,屏式受熱面同屏管子之間受集箱效應、流程差異、爐膛內溫度分布差異等影響,水側和煙氣側也存在較大熱偏差[1-2],因此,若膨脹系統(tǒng)設計、安裝不當,受熱面膨脹受阻,容易發(fā)生變形,而隨著循環(huán)流化床鍋爐容量和參數(shù)的提高,受熱面管屏增長,剛性和穩(wěn)定性更差,彎曲變形更加普遍,管子拉裂爆漏也更常見。

某電廠2臺循環(huán)流化床鍋爐2020年上半年集中出現(xiàn)屏式過熱器管拉裂,電廠對拉裂爆漏管段取樣進行失效分析,并根據(jù)分析結論進行了相應的整改,區(qū)域公司技術中心專家到現(xiàn)場跟蹤指導,對屏式過熱器拉裂問題進行更深入地檢查和分析,提出進一步防范措施,以杜絕管子拉裂發(fā)生。

1 設備概況

某電廠三期#5、#6鍋爐為300 MW亞臨界、循環(huán)流化床燃燒鍋爐,由1個膜式水冷壁爐膛、3臺汽冷式旋風分離器和1個由汽冷包墻包覆的尾部豎井3部分組成。爐膛內前墻布置有12片屏式過熱器管屏、6片屏式再熱器管屏,后墻布置2片水冷蒸發(fā)屏。屏式過熱器為L型,水平段往爐后向上5e傾角,管子間通過固定塊連接,垂直段為膜式結構,管子規(guī)格φ51 mm×8 mm,除#6鍋爐第5屏、第8屏外,其余管子材質均為12Cr1MoVG,#6鍋爐第5屏、第8屏管材因投產初期超溫泄漏等因素升級為T91,在屏式過熱器下部轉彎區(qū)域范圍內設置有耐磨耐火材料。

2 2020年上半年拉裂情況

1）2020年1月,#5鍋爐檢修中發(fā)現(xiàn)屏式過熱器第2屏第1根管（簡稱2-1管,以下同）、9-2管水平段固定塊部位拉裂。

2）2020年5月,#6鍋爐調停過程出現(xiàn)屏式過熱器3-1管彎頭內弧側銷釘部位拉裂爆漏,檢修中發(fā)現(xiàn)9-1管彎頭內弧側銷釘部位拉裂。

3）2020年6月,#6鍋爐調停過程出現(xiàn)屏式過熱器7-1管彎頭內弧側銷釘部位拉裂爆漏,檢修中發(fā)現(xiàn)2-1管、6-1管、10-1管、12-1管彎頭內弧側銷釘部位拉裂。

3 電廠進行的原因分析及采取措施

3.1 爆口管段分析

對2020年6月爆漏的#6鍋爐屏式過熱器7-1管彎頭爆口管段分析：

1）宏觀檢查,爆口部位銷釘與管子連接為局部點焊,泄漏口在焊點的對側,由外壁銷釘根部起裂,并逐漸向內擴展直至貫穿管壁,彎頭內弧側泄漏部位附近發(fā)現(xiàn)大量具有疲勞特征的裂紋（見圖1、圖2）。

圖1 彎頭內弧側爆口處宏觀形貌

圖2 爆口及其附近裂紋的截面形貌

2）光譜分析、室溫拉伸和布氏硬度試驗,主要化學成分、材料性能、硬度均符合標準要求。

3）管樣彎頭內弧側、外弧側以及泄漏口附近的金相組織檢測,均為鐵素體+珠光體+貝氏體組織,球化均為3級；對泄漏部位附近裂紋進行金相觀察,裂紋內均填滿氧化物,說明裂紋形成及擴展歷經較長時間。

4）綜合宏觀檢查、金相檢測及試驗等分析結果,該泄漏口為疲勞開裂,與銷釘?shù)木植奎c焊方式有較大關系,在焊點對側存在應力集中區(qū),在交變應力作用下萌生微裂紋并迅速擴展。

3.2 交變應力產生原因分析

1）與該部位的結構有關。定位塊及第1個彎頭內弧側銷釘?shù)炔课缓缚p復合應力大,同時外部耐磨耐火材料通過管子外壁焊接大量銷釘和澆注方式固定,與管子結合較為緊密牢固,進一步限制了管子定位塊、彎頭等部位的自由膨脹,管屏受熱膨脹應力無法釋放。

2）與機組頻繁深度調峰有關。2019年3月以來2臺機組頻繁參與深度調峰,負荷在白天70%以上負荷和夜晚40%負荷間頻繁升降,管子頻繁發(fā)生熱脹冷縮。

3.3 采取措施

1）對第1根管下部彎頭部位進行換管處理,取消彎頭部位銷釘,以保證其能夠自由膨脹。

2）割開第1～4管之間水平段連接的固定塊。

3）盡量降低深度調峰頻次,負荷調整過程嚴格控制溫變率。

4 問題的提出

為徹底解決循環(huán)流化床鍋爐屏式過熱器拉裂問題,區(qū)域公司技術中心專家到現(xiàn)場進一步調查,在現(xiàn)場檢查、資料查閱、與技術人員溝通基礎上,認為有2個方面需做進一步分析。

1）查閱現(xiàn)場圖片,#6鍋爐屏式過熱器彎頭內弧側銷釘部位拉裂的管子的固定塊均已在之前檢修中割除,且7-1管水平段已更換過（見圖3）。查看設備檢修記錄,7-1管在2016年2月鍋爐水壓試驗時出現(xiàn)固定塊部位泄漏進行換管處理。那么,采取取消第1根管彎頭銷釘和第1～4管之間固定塊改造措施后,是否還存在其他拉裂泄漏隱患？

圖3 #6鍋爐屏式過熱器7-1管

2）將檢修割除下來的第1根管彎頭中內弧側發(fā)現(xiàn)裂紋的彎頭與未發(fā)現(xiàn)裂紋的彎頭進行比對,一個很明顯的特征是發(fā)現(xiàn)裂紋的彎頭角度變化不大,接近設計角度95°,而出現(xiàn)裂紋的彎頭均發(fā)生塑性變形,明顯張開,彎頭角度在110°～120°,那么,這種情況是如何產生的？

5 進一步檢查分析

5.1 屏式過熱器結構檢查

1）屏式過熱器進、出口集箱及管道布置。進、出口集箱上采用帶柔性彎的連接管與母管相連,母管向鍋爐左、右側引出至兩側管道,母管設有導向裝置,熱膨脹量通過管道加柔性彎和冷緊的方法吸收,因此排除集箱膨脹和管道推力方面因素對管屏向上自由膨脹的影響。

2）屏式過熱器頂部膨脹節(jié)及恒力彈簧吊架。#5、#6鍋爐部分耐高溫金屬膨脹節(jié)存在變形嚴重情況,無法滿足管屏向上自由膨脹,另外部分拉桿未松開,拉桿或端板根部一次性拉斷,說明承受的拉應力不小。部分恒力彈簧吊架冷態(tài)時指標銷在上限位,無預緊力,無法吸收管屏的向上位移。當熱態(tài)管屏無法向上自由膨脹時,容易產生變形,當管屏變形后,在機組運行中整體應力將進一步加大。

3）上部垂直段。上部垂直段為膜式結構,裸露在外,因此可以通過變形來釋放應力,爆漏的#6鍋爐第7屏上部垂直段變形十分嚴重,呈“S”彎,其余下部彎頭發(fā)現(xiàn)裂紋的上部垂直段也呈現(xiàn)不同程度的“S”彎。管屏變形,管子在爐內的長度增長,循環(huán)物料的流動發(fā)生改變,內部工質流動阻力也加大,壁溫有所增加,同等負荷變化情況下管屏的膨脹收縮量更大。

4）下部水平段及彎頭部位。屏式過熱器下部水平段與前墻水冷壁的穿墻密封采用固定結構,為膨脹死點,爐內水平段及彎頭部位外包裹耐磨耐火材料,為減輕應力集中,未采用鰭片整體焊接,管子間焊有固定塊,因此,下部管屏受熱膨脹應力無法釋放時,應力主要集中在固定塊焊縫部位,內側管子短和彎頭曲率半徑小,整體應力就更集中,拉裂首先發(fā)生在最內側幾根管子間固定塊焊縫部位,當固定塊割除后,相應管子彎頭部位就成了應力集中部位,彎頭內弧側銷釘取消后,只是消除了彎頭一個主要的薄弱部位,因外部約束未消除,彎頭部位集中應力仍然較大,#6鍋爐屏式過熱器第4屏、第6屏耐磨耐火材料在彎頭內弧側開裂特征也在一定程度上反映了彎頭部位的受力情況（見圖4）。

圖4 #6鍋爐第6屏內弧側部位耐磨耐火材料開裂

5.2 比對分析

查閱#5、#6鍋爐設備臺賬,投產以來屏式受熱面拉裂問題均發(fā)生在屏式過熱器管屏上,而同為L型的屏式再熱器未出現(xiàn)過,進行比對分析如下：

1）管子材質及規(guī)格不同。屏式再熱器管子材質為T91,規(guī)格為φ76 mm×6 mm,屏式過熱器除#6鍋爐第5屏、第8屏管子材質為T91外,其余材質為12Cr1MoVG,規(guī)格均為φ51 mm×8 mm,而#6鍋爐第5屏、第8屏也未出現(xiàn)過拉裂問題。查閱資料,鋼材從20 ℃ 到550 ℃溫度的平均線性膨脹系數(shù),T91為12.4（10-6/℃）,12Cr1MoVG為14.6（10-6/℃）[3-4],同等溫升溫降情況下,12Cr1MoVG材料的膨脹或收縮量更大；鋼材450 ℃、500 ℃、550 ℃高溫規(guī)定塑性延伸強度,T91分別不小于337 MPa、306 MPa、260 MPa,12Cr1MoVG材 料 不 小 于211 MPa、201 MPa、187 MPa[5],同等溫度條件下T91強度更高。

2）管屏尺寸不同。屏式再熱器垂直段長度為18 020 mm,內側水平段為3 192 mm,管屏寬度為3 738 mm,屏式過熱器垂直段為20 850 mm,內側水平段為2 922 mm,管屏寬度為3 556 mm,因此屏式再熱器更加“矮胖”,剛度更大,在爐膛中的位置更高,受爐膛溫度變化影響更小。

3）汽溫主要調節(jié)方式不同。屏式再熱器是最后一級再熱器,汽溫調節(jié)主要靠煙氣擋板控制低溫再熱器出口溫度,而屏式過熱器為中間級過熱器,過熱器調節(jié)方式為一級、二級減溫水控制下一級過熱器進口溫度,因此負荷升降時屏式再熱器汽溫變化更小且更平緩,壁溫升降速率也更小。

4）布置形式不同。為保證蒸汽的質量流速,屏式過熱器串聯(lián)布置,進、出口集箱均在爐頂,6屏由上向下,6屏由下向上,蒸汽流量偏差較大,屏式再熱器并聯(lián)布置,進口集箱在下部前墻,出口集箱在爐頂,6屏由下向上,蒸汽流量偏差相對較小[6]（如圖5所示）。

圖5 屏式過熱器與屏式再熱器布置形式

5.3 運行工況分析

查閱2019年3月以來#5、#6機組深度調峰較頻繁時的負荷曲線,每日大致類似,在40%～70%負荷間變化,而屏式過熱器為輻射式受熱面,在低負荷時,吸收輻射熱的份額增加,同時,蒸汽質量流速降低,導致屏式過熱器出口蒸汽溫度普遍高于滿負荷,甚至造成管壁過熱,一般最高壁溫出現(xiàn)在鍋爐60%～70%負荷[7-8],此時管屏的膨脹量接近最大范圍,強度接近最低。

5.4 交變應力作用分析

管屏熱位移無法通過膨脹節(jié)及支吊架釋放,管屏發(fā)生變形,剛度下降,管子在爐內的長度增長,同等負荷變化情況下管屏膨脹收縮量與水冷壁的差異更大,當機組啟動或升負荷時,膨脹量差異大造成垂直段變形加大,彎頭內弧側存在較大壓應力,當機組停運或降負荷時,收縮量差異大造成一端為膨脹死點的管屏水平段不能與垂直段同步向上收縮,造成彎頭角度變大和內弧側存在較大拉應力（如圖6所示）。機組頻繁參與深度調峰,管子頻繁熱脹冷縮,彎頭內弧側產生明顯的疲勞裂紋,而內弧側銷釘焊點對側應力最集中,裂紋最先萌生且擴展最迅速,最先貫穿,當彎頭銷釘取消后,內弧側部位的疲勞裂紋的擴展速度有所減小,但終會貫穿,而2臺鍋爐屏式過熱器拉裂問題大多數(shù)是在停運檢修時發(fā)現(xiàn),說明鍋爐熄火后冷卻過程中管屏持續(xù)存在較大的拉應力。

圖6 深度調峰過程中彎頭處的交變應力示意圖

5.5 調查結果分析

1）屏式過熱器存在爐頂穿墻膨脹節(jié)變形、集箱恒力彈簧吊架失載等問題,導致管屏無法自由向上膨脹。

2）從屏式過熱器管拉裂、爐頂膨脹節(jié)部分拉桿及端板根部一次性拉斷等情況分析,管屏存在的熱膨脹應力比較大,只要這種熱應力未有效釋放,還會對彎頭或其他薄弱環(huán)節(jié)造成損傷。

3）屏式再熱器與屏式過熱器相比,管子更加“粗大”,管屏更加“矮胖”,材料線性膨脹系數(shù)更小和強度更高,工況變化時溫變率更小,蒸汽流量偏差相對更小,管子拉裂隱患少,因此屏式過熱器管材料升級等針對性改造,有利于防止管子拉裂。

4）機組頻繁參與深度調峰,管子熱脹冷縮,容易熱疲勞,而管子拉裂大多數(shù)是在停運檢修時發(fā)現(xiàn),說明鍋爐熄火后冷卻過程中管屏持續(xù)存在較大的拉應力,因此,鍋爐熄火后仍需注意控制受熱面管壁溫度下降速率。

6 進一步采取的措施

1）對爐頂上部變形嚴重的膨脹節(jié)及相應的穿墻密封結構進行更換,對恒力彈簧吊架進行重新校核、調整。

2）對管屏水平段管子間的固定方式或固定塊型式進行優(yōu)化,消除因管子間膨脹不一致應力集中造成的對管子的拉裂。

3）優(yōu)化彎頭部位的耐磨耐火材料固定方式,取消彎頭及兩端一定范圍內的銷釘,保證彎頭部位有一定的柔性。

4）結合機組靈活性改造時機對管屏進行整體升級改造,改造時應根據(jù)現(xiàn)有摻燒煤種情況對膨脹量進行重新計算。

5）嚴格控制機組啟停及升降負荷速率,根據(jù)鍋爐各受熱面管壁溫度變化情況優(yōu)化鍋爐熄火后的各項操作和悶爐時間。

7 結論

1）該電廠屏式過熱器拉裂除與定位塊及第1個彎頭內弧側銷釘?shù)炔课缓缚p集中應力因素有關外,還與爐頂穿墻膨脹節(jié)變形、集箱恒力彈簧吊架失載、下部轉彎區(qū)域耐磨耐火材料限制等導致管屏無法自由膨脹有直接關系。

2）頻繁深度調峰交變應力作用是導致屏式過熱器疲勞拉裂的重要因素,但隨著風力、光伏等新能源發(fā)電大規(guī)模投產、并網(wǎng),調峰缺口將迅速擴大,提高調峰能力是趨勢,針對設備狀況進行機組靈活性改造是解決當前矛盾的一種途徑。

3）對鍋爐部件失效分析,必須了解鍋爐相應部件的設計資料和運行工況,掌握部件的特點、失效模式等,制定全方位防范措施,以保證鍋爐運行的可靠性。