火電廠鍋爐屏式過(guò)熱器爆管原因分析及處理

陳鳳斌

（貞豐縣電力投資有限公司）

0 引言

鍋爐是火電廠最重要的三大設(shè)備之一，鍋爐出現(xiàn)故障會(huì)影響機(jī)組安全運(yùn)行，影響電網(wǎng)穩(wěn)定，增加檢修工作量及維修費(fèi)用，頻繁的啟停和負(fù)荷大幅度變化會(huì)縮減機(jī)組使用壽命，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

某電廠鍋爐采用哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的HG-1117/25. 4/571/ 569-WM3 型鍋爐，為超臨界、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的“W”火焰型鍋爐，自完成168h 試運(yùn)行后投入生產(chǎn)共約3 萬(wàn)h，該電廠為孤網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組，發(fā)電機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰調(diào)頻，機(jī)組負(fù)荷長(zhǎng)期隨電網(wǎng)大幅度波動(dòng)。該鍋爐的屏式過(guò)熱器布置在爐膛頂部，每組18 根U 形管，頂棚下方材質(zhì)為SA-213TP347H、上方材質(zhì)為SA-213T91，設(shè)計(jì)壓力＜28. 6 MPa，設(shè)計(jì)溫度546℃。當(dāng)鍋爐運(yùn)行時(shí)，管子外壁直接被高溫?zé)煔飧采w，既吸收爐膛直接輻射熱，又吸收高溫?zé)煔鈱?duì)流熱，工作條件十分惡劣。管子的冷卻依靠?jī)?nèi)部蒸汽，當(dāng)內(nèi)部沒(méi)有蒸汽流動(dòng)或者流動(dòng)蒸汽量不足以使管子充分冷卻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管子超溫，進(jìn)而出現(xiàn)氧化、變形、泄漏、爆管等情況，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患[1]。

1 事件描述

某電廠鍋爐自168h 后投運(yùn)至今約3 萬(wàn)h，爐頂屏式過(guò)熱器集箱散管在兩個(gè)月內(nèi)發(fā)生兩次爆管，導(dǎo)致鍋爐停止運(yùn)行。爆管發(fā)生時(shí)，鍋爐突然運(yùn)行異常，出力驟降，給水量急劇上升，給水量與主蒸汽流量差過(guò)大，且爐頂有大量蒸汽冒出。停機(jī)冷卻后對(duì)爐頂管道進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)屏式過(guò)熱器集箱散管發(fā)生爆管。第一次爆管的集箱散管為爐頂大包內(nèi)從右往左第11排，第二次爆管的集箱散管為爐頂大包內(nèi)從右往左第4 排，均為頂棚上SA-213T91 與SA-213TP347H 異種鋼對(duì)接焊縫的SA-213T91 鋼側(cè)，爆管位置如圖1所示。爆管位置離焊縫有100mm 左右，焊縫外觀良好，管內(nèi)焊縫成形良好，管口均勻，無(wú)錯(cuò)邊現(xiàn)象，基本可以排除是由焊接施工質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的爆管。從圖1 中可以看出，第一次爆管散管爆口呈喇叭形，第二次爆管散管爆口出現(xiàn)明顯鼓包，爆口邊緣出現(xiàn)較多樹(shù)皮狀褶皺，兩次爆管位置均出現(xiàn)蠕脹現(xiàn)象。

圖1 爆管位置及宏觀形貌

2 原因分析

爆管事件發(fā)生后，為查明爆管原因，從鍋爐運(yùn)行情況、受外力情況、爆管管子外觀、硬度、金相組織等方面進(jìn)行排查分析。

通過(guò)調(diào)取第一次爆管前24h 屏式過(guò)熱器集箱散管的監(jiān)控溫度曲線可知，此次運(yùn)行期間最高溫度未超溫，最大升溫速率為1.33℃/min，趨勢(shì)穩(wěn)定，無(wú)鋸齒狀升降溫曲線?？梢耘懦捎诙唐跓釕?yīng)力、交變應(yīng)力及超溫運(yùn)行造成的爆管。調(diào)取第二次爆管前24h屏式過(guò)熱器集箱散管的溫度變化曲線圖可知，也未出現(xiàn)短期超溫現(xiàn)象，但溫度波動(dòng)劇烈，最大升降溫速率為6.5℃/min，溫升溫降速率遠(yuǎn)超金屬承受范圍。該機(jī)組在投入生產(chǎn)運(yùn)行的5 年中，長(zhǎng)期參與調(diào)頻調(diào)峰，啟停次數(shù)較多，鍋爐受熱面經(jīng)常急劇升降溫并時(shí)有發(fā)生超溫情況。兩次爆管位置均為SA-213T91與SA-213TP347H 異種鋼對(duì)接處，在20～600 ℃范圍內(nèi)SA-213TP347H、SA-213T91 線膨脹系數(shù)分別為18.5×10-6/℃和12.6×10-6/℃，兩種鋼材的線膨脹系數(shù)相差較大，在長(zhǎng)期熱應(yīng)力、交變應(yīng)力作用下，金屬容易發(fā)生熱疲勞脆化，特別是異種鋼對(duì)接處，因兩種鋼材受熱膨脹量不一致，在循環(huán)熱作用下工作時(shí)，易產(chǎn)生熱應(yīng)力或熱疲勞。

如圖2 所示，從爆管的宏觀形貌可見(jiàn)，管壁斷面整齊，存在撕裂棱、剪切蠢等宏觀特種，為脆性斷裂，外壁氧化皮呈樹(shù)皮狀褶皺狀，管子有明顯的脹粗現(xiàn)狀。兩次爆管的散管外觀呈黑褐色，外觀與旁邊管子顏色明顯不一致，應(yīng)為超溫導(dǎo)致金屬過(guò)熱氧化發(fā)黑，爆管內(nèi)壁產(chǎn)生大量氧化皮并脫落，切除爆管的U形管下部，排出大量黑色氧化皮，且散管內(nèi)壁氧化物明顯出現(xiàn)過(guò)熱燒蝕現(xiàn)象。作為對(duì)比，切除兩根未爆管的U 形管，僅排出少量黃色氧化皮。進(jìn)一步對(duì)散管進(jìn)行壁厚測(cè)量發(fā)現(xiàn)，散管厚度為7.1～8.0mm，表明散管存在不同程度的氧化，氧化皮脫落后壁厚減薄[2-10]。

圖2 散管內(nèi)壁氧化

在機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，管子內(nèi)壁形成氧化皮，氧化皮的熱阻較大，傳熱效果差，影響內(nèi)部蒸汽與管壁金屬的熱量交換，導(dǎo)致管壁溫度進(jìn)一步升高，而溫度升高又加速了其氧化過(guò)程，形成惡性循環(huán)，氧化皮越來(lái)越厚，管壁厚度越來(lái)越薄。由于氧化皮的熱膨脹系數(shù)與管子母材金屬不同，機(jī)組頻繁啟?；蛘邌⑼Ｋ俣冗^(guò)快，溫度急劇變化，管子內(nèi)的氧化皮大量脫落，掉入U(xiǎn) 形管導(dǎo)致堵管，管道內(nèi)部介質(zhì)通流截面減小，蒸汽流量不足，管壁吸收的熱量不能及時(shí)被帶走，管子溫度快速上升超過(guò)設(shè)計(jì)許用溫度，長(zhǎng)期如此導(dǎo)致力學(xué)性能嚴(yán)重下降，在高溫且內(nèi)部蒸汽壓力的作用下，管子脹粗變形，最終導(dǎo)致爆管[11-14]。

依據(jù)DL/T884—2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)兩次爆管和硬度低于160HB 的共6 根管子進(jìn)行金相檢測(cè)，將試樣研磨和拋光后用4%硝酸酒精浸蝕，使用AFISS A1m 蔡司金相顯微鏡500 倍進(jìn)行觀察拍照，發(fā)現(xiàn)組織老化均達(dá)5 級(jí)，組織中存在大量鐵素體、碳化物、沿晶裂紋和孔洞等缺陷。SA-213T91 材料在正常狀態(tài)下的顯微組織應(yīng)為回火馬氏體，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中存在長(zhǎng)期過(guò)熱現(xiàn)象，經(jīng)常性超溫，回火馬氏體逐漸消失，碳化物聚集長(zhǎng)大，最終分解成塊狀鐵素體和沿晶界分布的粗大碳化物，管子的力學(xué)性能顯著降低，如圖3 所示。

圖3 SA-213T91 金相組織

DL/T438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定SA-213T91 材料的硬度范圍為180～250 HB。爆管發(fā)生后，對(duì)爆口散管進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，共檢測(cè)458 根散管，發(fā)現(xiàn)有396 根硬度低于180HB，占比高達(dá)86. 5%，說(shuō)明金屬普遍存在不同程度的老化現(xiàn)象，金屬的力學(xué)性嚴(yán)重下降。選取硬度值低于160HB 的6 根管子送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬度校核，將管子加工后拋磨，去除表面凹凸面和油膜，形成平面，再對(duì)打磨平面進(jìn)行金屬洛氏硬度試驗(yàn)并換算為布氏硬度，結(jié)果顯示第一次爆管散管硬度為144HB，第二次爆管散管硬度為156HB。下表為實(shí)驗(yàn)室硬度復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，其中4-2、11-2 分別為兩次爆管散管的硬度測(cè)試結(jié)果。

表 部分T91 管段硬度數(shù)據(jù)

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，該鍋爐爆管原因主要有：①機(jī)組在多年的運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷長(zhǎng)期大幅波動(dòng)造成的交變應(yīng)力，使散管金屬產(chǎn)生熱疲勞，組織鐵素體化并出現(xiàn)沿晶裂紋和孔洞等缺陷，老化情況嚴(yán)重，金屬脆化，力學(xué)性能明顯下降。②機(jī)組頻繁啟停且升溫降溫速度較快，導(dǎo)致氧化皮脫落，在散管內(nèi)部造成堵塞截流，致使局部超溫，引發(fā)爆管。

3 修復(fù)措施

采用換管焊接對(duì)爆管的散管進(jìn)行修復(fù)，焊接環(huán)境應(yīng)符合DL/T869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》要求。根據(jù)換管位置及換管長(zhǎng)度，采用規(guī)格為Ф38×8、材質(zhì)為SA-213T91 的散管制備替換管子，管材應(yīng)留有加工余量，便于現(xiàn)場(chǎng)修配。焊工應(yīng)具備GTAW-III-6G-8/38 -02/10/12 資質(zhì)。

返工方案：①使用機(jī)械切割方法在離爆管位置上下方各250mm 的位置將散管切斷，先對(duì)下方進(jìn)行切割，切管后使用水溶紙封堵管子下部，避免切屑廢料進(jìn)入管道，再切割爆管位置上方；②使用坡口機(jī)在原管和備管上制備35°坡口，鈍邊1mm，裝配焊口時(shí)對(duì)口應(yīng)留2～4mm 間隙。③使用拋光輪對(duì)焊縫兩側(cè)20mm 范圍進(jìn)行拋光，將內(nèi)、外壁的油漆、污垢、鐵銹等清理干凈，直至露出金屬光澤；④使用對(duì)口鉗進(jìn)行對(duì)口，對(duì)口間隙為2～4mm，嚴(yán)禁錯(cuò)邊、折口。⑤焊前預(yù)熱溫度為200～250℃，層間溫度為200～300℃，使用鎢極氬弧焊焊接，采用Ф2.4mm 的ER90S-B9 焊絲，焊接道數(shù)為3，焊接電流為90～105A，焊接電壓為10～12V，第一道焊縫的焊接速度為55～65cm/min，填充和蓋面焊縫的焊接速度為50～60cm/min，保護(hù)氣體為純度為99.99%的氬氣，流量為9～10L/min； ⑥焊接完成立即對(duì)焊口進(jìn)行熱處理，采用柔性陶瓷加熱片進(jìn)行加熱，恒溫溫度760±10 ℃，恒溫時(shí)間1h，升溫、降溫速度均≤150℃/h，加熱寬度160mm，保溫層寬度240mm；⑦熱處理完成24h 后采用X 光機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行射線探傷并對(duì)焊縫及母材硬度進(jìn)行檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該電廠發(fā)電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，機(jī)組負(fù)荷長(zhǎng)期隨電網(wǎng)大幅度波動(dòng)，負(fù)荷波動(dòng)造成超溫運(yùn)行，溫度變化劇烈，使管材金屬產(chǎn)生熱疲勞，組織鐵素體化并出現(xiàn)沿晶裂紋和孔洞等缺陷，老化情況嚴(yán)重，金屬脆化，力學(xué)性能明顯下降；溫度劇烈升降，導(dǎo)致氧化皮脫落，在U 形管內(nèi)部造成堵塞截流，致使局部超溫，引發(fā)爆管。

針對(duì)以上結(jié)論，提出以下幾點(diǎn)建議以供參考：①針對(duì)該電廠發(fā)電機(jī)組現(xiàn)狀，建議退出機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)自動(dòng)，保證機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行。盡可能減少機(jī)組啟停次數(shù)，在啟停及運(yùn)行過(guò)程中，嚴(yán)格遵循鍋爐廠家的升溫升壓曲線及升降負(fù)荷速率控制，盡量維持機(jī)組運(yùn)行時(shí)負(fù)荷穩(wěn)定，減少由于溫度突變?cè)斐傻难趸ご罅棵撀鋄8]。②建議在機(jī)組等級(jí)檢修中，重點(diǎn)對(duì)屏式過(guò)熱器U 形部位采用內(nèi)窺鏡、射線檢測(cè)等方式進(jìn)行檢測(cè)，排查氧化皮量，并制定相應(yīng)的氧化皮清理措施。③制定預(yù)防金屬超溫氧化方案，嚴(yán)格按照規(guī)范要求做好鍋爐系統(tǒng)金屬保養(yǎng)工作[9]。④對(duì)另一臺(tái)鍋爐同部位管道進(jìn)行檢查，及時(shí)排除安全隱患。⑤加強(qiáng)水質(zhì)管理。