300MW機(jī)組后屏過(guò)熱器失效原因分析

荊象陽(yáng)，高明德，劉 科，張延春

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東華能萊蕪熱電有限公司，山東 萊蕪 271102）

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300MW機(jī)組后屏過(guò)熱器失效原因分析

荊象陽(yáng)1，高明德1，劉 科1，張延春2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東華能萊蕪熱電有限公司，山東 萊蕪 271102）

對(duì)某發(fā)電廠300MW機(jī)組后屏過(guò)熱器失效原因進(jìn)行了分析，根據(jù)宏觀檢查、壁溫曲線分析、金相檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)的結(jié)果，推測(cè)在鍋爐停運(yùn)冷卻或啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了水塞，導(dǎo)致后屏過(guò)熱器短時(shí)過(guò)熱爆管，并提出了預(yù)防水塞的措施。

失效；水塞；爆管；金相檢驗(yàn)

0 引言

某發(fā)電廠2×300MW熱電聯(lián)產(chǎn)擴(kuò)建工程4號(hào)機(jī)組于2009年投產(chǎn)運(yùn)行，該機(jī)組屏式過(guò)熱器管材質(zhì)為12Cr1MoV鋼，規(guī)格為φ55mm×9mm。配套鍋爐由上海鍋爐廠生產(chǎn)，具有亞臨界參數(shù)，一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐特點(diǎn)，采用平衡通風(fēng)、擺動(dòng)式燃燒器、四角切圓燃燒方式。2015-02-24T21∶19，檢查發(fā)現(xiàn)標(biāo)高46m B側(cè)爐內(nèi)屏式過(guò)熱器處有泄漏聲。

1 檢查試驗(yàn)分析

爐內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)后屏過(guò)熱器B側(cè)數(shù)第2屏（A側(cè)數(shù)第19屏）北數(shù)12根管子泄漏，泄漏點(diǎn)距離下彎頭1.5m，爆口呈喇叭形狀沿軸向方向開(kāi)裂。圖1為后屏過(guò)熱器管爆口形貌，爆口長(zhǎng)114mm，最大寬度93mm，爆口處的壁厚減薄明顯，爆口兩側(cè)的管徑漲粗較明顯，具有韌性斷口的特征。經(jīng)厚度檢測(cè)，泄漏管附近有5根管子因吹損減薄超標(biāo)。對(duì)減薄管子進(jìn)行割管檢查，發(fā)現(xiàn)U形彎頭以上約2m的范圍存有大量的水，對(duì)其他管屏的割管檢查中也部分發(fā)現(xiàn)了有積水的情況；在整個(gè)割管檢查的過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)有其他異物。

圖1 后屏過(guò)熱器管爆口

在爆漏管道上并未安裝壁溫測(cè)點(diǎn)，因此只能查閱并調(diào)取附近安裝壁溫測(cè)點(diǎn)的管子的壁溫歷史曲線作為參考。調(diào)閱發(fā)現(xiàn)，后屏過(guò)熱器A側(cè)數(shù)第15屏出口第9根管子存在超溫現(xiàn)象，管壁溫度明顯高于鄰近管子，圖2為該管道的壁溫曲線。17∶00前后，該管子的壁溫開(kāi)始急速升高，約在17∶25，管子溫度升至600℃以上，此后在600℃以上超溫運(yùn)行近4 h，直到21∶19，由于后屏過(guò)熱器A側(cè)數(shù)第19屏北數(shù)12根管子的泄漏，第15屏出口第9根管子的溫度才開(kāi)始下降。雖然A側(cè)數(shù)第19屏北數(shù)12根管未安裝壁溫測(cè)點(diǎn)，但由于A側(cè)數(shù)第19屏北數(shù)12根管的溫度下降時(shí)間和第15屏出口第9根管的泄漏時(shí)間完全一致，都是在21∶19，因此推斷爆漏的后屏過(guò)熱器A側(cè)數(shù)第19屏北數(shù)12根管子上發(fā)生了同樣的超溫過(guò)程。

圖2 管壁溫度曲線

現(xiàn)場(chǎng)排查中，發(fā)現(xiàn)后屏過(guò)熱器A側(cè)數(shù)第15屏出口第9根管子（圖3中箭頭所指）翹曲變形，管壁顏色明顯比其他管子深，具有超溫的特征，這與壁溫曲線分析的結(jié)果一致。

圖3 A側(cè)數(shù)第15屏北數(shù)第9根宏觀照片

對(duì)后屏過(guò)熱器爆漏管和疑似超溫管進(jìn)行金相檢測(cè)，采用的浸蝕劑為4%硝酸酒精溶液。對(duì)后屏過(guò)熱器爆漏管的爆口處、爆口對(duì)側(cè)和鄰近管子（A側(cè)數(shù)第19屏北數(shù)第11根、A側(cè)數(shù)第19屏北數(shù)第13根）分別進(jìn)行金相檢測(cè)，爆口處及爆口對(duì)側(cè)金相組織均為不完全正火的鐵素體和珠光體，爆口處晶粒沿變形方向拉長(zhǎng)，見(jiàn)圖4、圖5。鄰近的北數(shù)11根、北數(shù)13根管子的金相組織為鐵素體、珠光體，少量碳化物沿晶界分布，組織正常，未出現(xiàn)明顯的球化現(xiàn)象，見(jiàn)圖6、圖7。

圖4 爆口處金相組織

圖5 爆口對(duì)側(cè)金相組織

圖6 A側(cè)數(shù)第19屏北數(shù)第11根金相組織

圖7 A側(cè)數(shù)第19屏北數(shù)第13根金相組織

后屏過(guò)熱器爆口處管子整圈的金相組織為不完全正火的鐵素體和珠光體，材料原始平衡組織基本消失，發(fā)生了相變，說(shuō)明管子壁溫達(dá)到12Cr1MoV鋼AC1 相變溫度（774～805 ℃）以上［1］，爆管的原因?yàn)槎虝r(shí)過(guò)熱。

對(duì)疑似超溫的后屏過(guò)熱器A側(cè)數(shù)第15屏北數(shù)第9根管進(jìn)行金相檢測(cè)，其金相組織為鐵素體、珠光體、碳化物，大部分碳化物分布在晶界上，僅有極少量的珠光體區(qū)域的痕跡，組織老化達(dá)到4級(jí)，見(jiàn)圖8。雖然管子金相組織嚴(yán)重老化，但超溫幅度并不大，未超過(guò)12Cr1MoV鋼AC1相變溫度，屬于長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱，這與壁溫曲線所反映的信息和現(xiàn)場(chǎng)外觀的檢查情況相一致。

圖8 A側(cè)數(shù)第15屏北數(shù)第9根金相組織

從疑似超溫的A側(cè)數(shù)第15屏北數(shù)第9根管子上以縱剖方式加工3件樣品，利用WDW-300E試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 A側(cè)數(shù)第15屏北數(shù)第9根拉伸試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的規(guī)定，12 Cr1MoVG鋼的抗拉強(qiáng)度應(yīng)為470～640 MPa，屈服強(qiáng)度≥255MPa，伸長(zhǎng)率≥21%，而所測(cè)管樣的抗拉強(qiáng)度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，說(shuō)明管子在長(zhǎng)期超溫運(yùn)行后力學(xué)性能下降，已不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這與金相檢驗(yàn)的結(jié)果一致。

2 爆管原因

由于在宏觀檢查過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)其他異物，而U形管內(nèi)積水情況較為嚴(yán)重，因此推測(cè)短時(shí)超溫爆管可能是由于水塞。水塞既可以導(dǎo)致短時(shí)超溫爆管，也可以導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)超溫爆管，主要取決于水塞的嚴(yán)重程度。水塞較嚴(yán)重的管子當(dāng)發(fā)生水塞時(shí)，由于蒸汽無(wú)法有效帶走熱量，使得管子在較短時(shí)間內(nèi)被過(guò)熱到較高的溫度，其強(qiáng)度明顯下降，由于管子在高溫下具有良好的塑性和韌性，在內(nèi)部介質(zhì)壓力的作用下，管子開(kāi)始漲粗，管壁減薄，當(dāng)壁厚滿足不了強(qiáng)度要求時(shí)就會(huì)產(chǎn)生爆管泄漏。水塞嚴(yán)重時(shí)，多引起短時(shí)超溫爆管。疑似超溫管之所以是長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱而非短時(shí)過(guò)熱，可能與該處發(fā)生水塞時(shí)積水量較小有關(guān)。在鍋爐同一部位既出現(xiàn)短時(shí)過(guò)熱（爆管），又出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱（疑似超溫管），這種情況是較為少見(jiàn)的，只有異物堵塞才會(huì)導(dǎo)致這種情況的發(fā)生。而由于宏觀檢查中未發(fā)現(xiàn)除積水之外的任何固體狀異物，因此過(guò)熱原因除了水塞之外，尚無(wú)法提出更合理的解釋。

3 結(jié)語(yǔ)

造成水塞的原因較多［3-5］，根據(jù)該機(jī)組的運(yùn)行工況，可能有以下因素：鍋爐停運(yùn)冷卻過(guò)程中，部分蒸汽凝結(jié)水積于過(guò)熱器U形管下部；鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中，減溫水投運(yùn)不當(dāng)。

根據(jù)該機(jī)組的特點(diǎn)，提出如下建議以預(yù)防水塞的發(fā)生：1）停爐后熱爐放水時(shí)應(yīng)及時(shí)烘干受熱面；2）鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)控制燃料量，使?fàn)t膛均勻受熱，避免升溫過(guò)快導(dǎo)致管內(nèi)積水未完全蒸發(fā)；3）鍋爐啟動(dòng)初期應(yīng)嚴(yán)格控制減溫水量。

［1］姜求志，王金瑞，馬士林，等.火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2001.

［2］馬敏莉，于競(jìng)欽，肖軼，等.15CrMoG過(guò)熱管爆管失效原因分析［J］.熱加工工藝，2014，43（24）：237-239.

［3］肖哲民.鍋爐對(duì)流過(guò)熱器水塞的形成與消除［J］.華北電力技術(shù)，2001（4）：55-58.

［4］周海亮，滕敏華.鍋爐末級(jí)過(guò)熱器水塞爆管原因分析及預(yù)防［J］.熱力發(fā)電，2013，42（5）：99-101.

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Cause Analysis of Tube-burst on Rear Platen Superheater of 300MW Unit

JING Xiangyang1，GAOMingde1，LIU Ke1，ZHANG Yanchun2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250003，C hina；2.Shandong Huaneng Laiwu Power Generation Co.，Ltd.，Laiwu 271102，C hina）

The cause leading to the tube-burst failures on the rear plate-superheater of a 300MW unit in the power plant has been analysed.According to the results of visual examination，analysis to wall temperature curves，metallographic examination and tensile test，it is speculated that the water plug which leads to tube-burst failures on rear plate-superheater happened in a short period during the cooling down or start-up process.Themeasures for preventing water plug are proposed and applied.

failure；water plug；tube-burst；metallographic examination

TG113

：A

：1007－9904（2017）08－0057－03

2017－03－23

荊象陽(yáng)（1981），男，博士，高級(jí)工程師，從事火電廠機(jī)組金屬監(jiān)督檢驗(yàn)及事故分析工作。