余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器泄漏分析及處理

周柏成

(江蘇國信儀征熱電有限責(zé)任公司, 江蘇揚(yáng)州 225000)

余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器的作用是通過吸收高溫?zé)煔獾臒崃?使進(jìn)入蒸發(fā)器管中的飽和水蒸發(fā)為蒸汽而產(chǎn)生汽水混合物。高壓蒸發(fā)器作為余熱鍋爐中最重要的設(shè)備之一,若發(fā)生泄漏將使整套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組失去備用,因此對(duì)其進(jìn)行失效分析,查明失效原因,對(duì)電廠安全運(yùn)行具有重要意義。

近年來,余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器泄漏的事故時(shí)有發(fā)生,一般泄漏原因是外部腐蝕或基建期間管材保管不當(dāng)引起的局部腐蝕,也存在因異物堵塞導(dǎo)致管道失效的案例[1]。不同于常見的堵管超溫失效,筆者所介紹的案例中的高壓蒸發(fā)器管失效是由于異物堵塞引起垢下腐蝕,進(jìn)而造成管壁減薄。通過對(duì)高壓蒸發(fā)器泄漏原因進(jìn)行分析,為同類型余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器泄漏檢查及分析提供思路,同時(shí)也為避免同類型事故的發(fā)生提出相應(yīng)的防范措施。

1 設(shè)備概況

某電廠有2臺(tái)100 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組,采用分軸一拖一布置,于2018年3月26日正式投入商業(yè)運(yùn)行。余熱鍋爐采用MHDB-6F.03-Q1型自然循環(huán)、雙壓、無補(bǔ)燃余熱鍋爐,鍋爐本體由進(jìn)口煙道、換熱室、出口煙道及煙囪組成,高、低壓汽包和除氧器布置于爐頂鋼架上,低壓汽包同時(shí)作為除氧器水箱。余熱鍋爐整體布置圖見圖1。

圖1 余熱鍋爐整體布置圖

余熱鍋爐運(yùn)行時(shí),高壓汽包內(nèi)的飽和水由下降管經(jīng)高壓蒸發(fā)器下集箱引入高壓蒸發(fā)器管,高壓蒸發(fā)器管出口的汽水混合物回到高壓汽包形成自然循環(huán)[2]。高壓蒸發(fā)器管為鰭片管,其材質(zhì)為SA210C,規(guī)格為Ф38×2.8,服役時(shí)間為3 256 h(長期處于備用狀態(tài)),管內(nèi)介質(zhì)為汽水混合物,運(yùn)行溫度為290 ℃、壓力(絕對(duì)壓力)為6.4 MPa,管外煙氣溫度為505 ℃。

2 泄漏情況

運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),燃機(jī)負(fù)荷、循環(huán)水溫度、循環(huán)水泵頻率、汽輪機(jī)抽汽流量和壓力等參數(shù)不變的情況下,汽輪機(jī)負(fù)荷降低,主蒸汽的壓力和流量呈下降趨勢。通過參數(shù)分析判斷鍋爐產(chǎn)汽量不足,鍋爐受熱面可能存在泄漏。停爐后進(jìn)行查漏,發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)第一排由西向東第30根(30號(hào))高壓蒸發(fā)器管在13 m標(biāo)高(上集箱向下3.7 m)處發(fā)生泄漏,具體見圖2。檢查時(shí)在爆口正對(duì)面的高溫過熱器鰭片上發(fā)現(xiàn)2個(gè)不明金屬片(見圖3),金屬片為不銹鋼材質(zhì),厚度約為0.5 mm,金屬片上有大量小孔。

圖2 高壓蒸發(fā)器泄漏位置

圖3 高溫過熱器鰭片上發(fā)現(xiàn)的金屬片

3 檢查及取樣分析

3.1 宏觀檢查情況

割開泄漏的30號(hào)高壓蒸發(fā)器管,用內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)爆口向上約2.2 m和爆口向下約1.5 m處的管道內(nèi)壁結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重,其余位置內(nèi)窺鏡檢查正常。擴(kuò)大檢查后發(fā)現(xiàn),東側(cè)相鄰第1根(31號(hào))及西側(cè)相鄰第3根(27號(hào))的高壓蒸發(fā)器管,在爆口相同標(biāo)高位置及其他標(biāo)高位置均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.2 異物排查及分析

在對(duì)圖3中的不明不銹鋼金屬片進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),該金屬片與石墨復(fù)合墊片中的不銹鋼增強(qiáng)板結(jié)構(gòu)相似。將金屬片展開后重新拼湊,根據(jù)外觀、材質(zhì)判定異物為汽包汽水分離器石墨復(fù)合墊片的不銹鋼增強(qiáng)板。將不明金屬片放置在汽包汽水分離器石墨復(fù)合墊片上(見圖4),發(fā)現(xiàn)不銹鋼增強(qiáng)板有缺失,繼續(xù)擴(kuò)大檢查,最終借助內(nèi)窺鏡在30號(hào)管下集箱管口和下集箱中找齊剩余不銹鋼增強(qiáng)板,并且將其取出。

圖4 將不明金屬片放置在汽包汽水分離器石墨復(fù)合墊片上示意圖

3.3 取樣分析

3.3.1 宏觀分析

對(duì)27號(hào)、30號(hào)、31號(hào)管進(jìn)行取樣分析后發(fā)現(xiàn),30號(hào)管爆口形貌呈不規(guī)則形狀且有缺失,邊緣無明顯變形。將30號(hào)管爆口段縱向解剖,發(fā)現(xiàn)爆口處已嚴(yán)重減薄,并且有水垢沉積區(qū)域,爆口上方管子內(nèi)壁殘留有大量的水垢(見圖5),呈易剝落的片渣狀,爆口下方200 mm迎煙側(cè)內(nèi)壁有浮渣沉積(見圖6)。

圖5 爆口上方殘留的水垢

圖6 爆口下方200 mm位置內(nèi)壁形貌

在30號(hào)管不同高度位置進(jìn)行縱剖,觀察內(nèi)壁結(jié)垢情況(見圖7),發(fā)現(xiàn)在距上集箱1.5～5.2 m范圍內(nèi)的管內(nèi)壁均存在大量沉積垢,迎煙側(cè)及背煙側(cè)無規(guī)律分布,垢層疏松易剝落,分析在爆管前沉積有更多的垢。檢查27號(hào)、31號(hào)管,管內(nèi)未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢情況。

圖7 不同高度內(nèi)壁結(jié)垢情況

3.3.2 壁厚測量

在爆口及爆口向上的較長一段范圍內(nèi)(見圖8中方框左側(cè)),迎煙側(cè)壁厚明顯低于背煙側(cè)壁厚:背煙側(cè)壁厚為2.6～3 mm,而迎煙側(cè)壁厚為0.7～1.8 mm,爆口位于壁厚最薄的0.7 mm處。該部分存在一處壁厚突變處,壁厚由1.8 mm降到0.7 mm,壁厚突變應(yīng)為積垢導(dǎo)致的腐蝕坑。在方框區(qū)域,迎煙側(cè)及背煙側(cè)壁厚同時(shí)發(fā)生了變化:迎煙側(cè)壁厚從上向下由1.4 mm變化為2.4 mm,而背煙側(cè)壁厚從上向下由3 mm變?yōu)?.4 mm。

圖8 壁厚測量結(jié)果

3.3.3 金相分析

在30號(hào)管爆口及爆口下方200 mm迎煙側(cè)位置取樣,經(jīng)磨樣、拋光、浸蝕后觀察組織形貌。爆口處壁厚僅為0.6 mm,爆口下方200 mm處壁厚為2.4 mm,組織均為鐵素體+珠光體,球化2級(jí),并且未見明顯沿晶裂紋。30號(hào)管爆口及爆口下方200 mm位置組織形貌見圖9。

3.3.4 垢樣分析

對(duì)30號(hào)管爆口附近管內(nèi)壁垢樣進(jìn)行取樣分析,觀察其內(nèi)壁的垢樣為紅褐色,采用X射線衍射儀對(duì)垢樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果列于表1。由表1可得:腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3,除含有管材自身的Fe、Mn、P、S、Si元素外,還含有水質(zhì)中的Ca、Al、Mg、Cu等元素。

表1 爆口附近管內(nèi)壁垢樣分析結(jié)果

4 原因分析

4.1 失效模式

根據(jù)宏觀分析和壁厚測量的結(jié)果,在距上集箱1.5～5.2 m處30號(hào)管內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量結(jié)垢,垢下腐蝕嚴(yán)重,管壁發(fā)生相對(duì)均勻的減薄,最薄處即為爆口區(qū)域,僅有0.6 mm的厚度,分析爆管的失效模式為減薄泄漏。

4.2 失效起因

在圖8的方框區(qū)域,迎煙側(cè)及背煙側(cè)壁厚同時(shí)發(fā)生了明顯的變化,分析該處應(yīng)為水汽變化的臨界點(diǎn)。

鄰近27號(hào)及31號(hào)管的內(nèi)壁檢查未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢腐蝕情況,這2根管的運(yùn)行工況類似,結(jié)合在30號(hào)管對(duì)應(yīng)的下集箱管口及爆口對(duì)面找到的汽水分離器石墨復(fù)合墊片不銹鋼增強(qiáng)板,可以判斷30號(hào)管結(jié)垢腐蝕減薄的原因?yàn)槭┕ぶ忻撀浠蜻z失的石墨復(fù)合墊片經(jīng)下降管進(jìn)入高壓蒸發(fā)器下集箱,隨著水流的沖刷,石墨復(fù)合墊片上的石墨層被水流帶走,剩下的不銹鋼增強(qiáng)板堵塞在30號(hào)管的管口處,導(dǎo)致管內(nèi)冷卻介質(zhì)(水)流量下降,汽化率顯著增加。在距上集箱向下1.5～5.2 m處,管內(nèi)介質(zhì)發(fā)生相變,全部蒸發(fā)為飽和蒸汽,含水量降低。蒸汽攜帶大量水,蒸汽里的鹽分含量就會(huì)增加,相反由汽水混合物變?yōu)轱柡驼羝蟮暮拷档?介質(zhì)攜帶的鹽分含量就會(huì)減少,因此會(huì)有鹽分析出[3]。液汽兩相的溶解度差異導(dǎo)致30號(hào)管內(nèi)壁沉積結(jié)垢和垢下腐蝕的發(fā)生,而隨著相變的發(fā)生,上升至距上集箱約1.5 m位置時(shí),水完全汽化,不再有水垢沉積。

4.3 失效機(jī)制

(1) 從30號(hào)管爆口附近宏觀特征看,迎煙側(cè)的熱負(fù)荷相對(duì)大,而背煙側(cè)的熱負(fù)荷相對(duì)小,兩側(cè)的熱負(fù)荷差異影響到腐蝕的進(jìn)程和速率,出現(xiàn)迎煙側(cè)的腐蝕程度明顯嚴(yán)重于背煙側(cè)的現(xiàn)象。

(2) 觀察30號(hào)管爆口及爆口下方200 mm的金相組織,未見明顯沿晶裂紋。

(3) 由于該余熱鍋爐自投運(yùn)后僅運(yùn)行3 256 h,長時(shí)間處于停運(yùn)狀態(tài),加上爆管后沒有立刻對(duì)垢樣進(jìn)行取樣分析,主要堿腐蝕產(chǎn)物(Fe3O4)長時(shí)間暴露在空氣中轉(zhuǎn)化為Fe2O3[4-6]。

結(jié)合對(duì)30號(hào)管爆口處腐蝕情況的綜合分析,符合垢下堿腐蝕的特征[7-10]。因此,判定該高壓蒸發(fā)器管泄漏原因是異物堵塞造成高壓蒸發(fā)器30號(hào)管內(nèi)局部汽化率增加,管內(nèi)介質(zhì)溶解攜帶的鹽分減少,鹽分析出并在蒸發(fā)器管內(nèi)壁沉積結(jié)垢,發(fā)生管壁垢下堿腐蝕最終導(dǎo)致減薄泄漏。另外,大量鹽分析出導(dǎo)致結(jié)垢,說明鍋爐汽水品質(zhì)控制不力也是導(dǎo)致該高壓蒸發(fā)器泄漏的原因之一。

5 處理方案及防范措施

5.1 處理方案

由于短時(shí)間無法采購到同型號(hào)的高壓蒸發(fā)器鰭片管,根據(jù)鍋爐廠的建議,將爆管的鰭片管更換為光管,更換范圍為爆口向下300 mm至蒸發(fā)器上聯(lián)箱下焊縫,并且對(duì)汽包汽水分離器進(jìn)行全面檢查,對(duì)汽水分離器墊片的緊固螺栓進(jìn)行防松處理,檢修完成后進(jìn)行余熱鍋爐水壓試驗(yàn)表明合格,余熱鍋爐恢復(fù)備用。

5.2 防范措施

針對(duì)該高壓蒸發(fā)器管的泄漏制定如下防范措施:

(1) 堅(jiān)持對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析,尤其是類似工況的數(shù)據(jù)比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理,必要時(shí)果斷停爐處理,避免事故擴(kuò)大。

(2) 該高壓蒸發(fā)器泄漏的主要原因?yàn)楫愇镞M(jìn)入汽水系統(tǒng)導(dǎo)致水循環(huán)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況。在后期通過對(duì)高壓汽包汽水分離器檢查,發(fā)現(xiàn)一個(gè)汽水分離器漏裝石墨復(fù)合墊片。暴露出電廠在檢修、施工中的質(zhì)量驗(yàn)收工作不到位,今后檢修工作中應(yīng)嚴(yán)格控制檢修、施工工藝,嚴(yán)格執(zhí)行有限空間作業(yè)要求,檢修結(jié)束后做好材料、工器具的檢查清點(diǎn),防止物品遺漏。

(3) 加強(qiáng)對(duì)汽包內(nèi)件的檢查,增加螺栓連接防松動(dòng)措施,定期進(jìn)行跟蹤檢查。

(4) 當(dāng)鍋爐汽水系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)異物時(shí)應(yīng)堅(jiān)持做好異物來源分析工作,避免檢查、清理不徹底導(dǎo)致二次事故的發(fā)生。

(5) 鍋爐水質(zhì)直接關(guān)系到鍋爐能否安全可靠運(yùn)行,因此要嚴(yán)格按照規(guī)定加強(qiáng)水汽品質(zhì)控制,依據(jù)GB/T 12145-2016 《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》,開展水汽品質(zhì)化學(xué)技術(shù)監(jiān)督工作。

6 結(jié)語

該余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器管泄漏失效模式為減薄泄漏,失效機(jī)制為相對(duì)均勻的垢下腐蝕,失效起因?yàn)楫愇锒氯?局部汽化率增加導(dǎo)致水垢大量沉積。經(jīng)過對(duì)異物外觀和材質(zhì)進(jìn)行分析,確認(rèn)異物的來源,清理系統(tǒng)中的殘留異物,并且提出相應(yīng)的防范措施。通過將爆管的鰭片管更換為光管,余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器管泄漏問題得到解決,可以保證機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。