燃機電站余熱鍋爐受熱面泄漏原因及預防措施

陸定康，胥建國，錢松鋒

(江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，火電廠大容量、高參數(shù)發(fā)電機組日益增多，對四管防爆工作提出了更多更高的要求。天然氣發(fā)電技術(shù)作為清潔能源得到廣泛推廣，所配套余熱鍋爐是聯(lián)合循環(huán)電站中回收燃氣輪機排汽余熱產(chǎn)生蒸汽，推動蒸汽循環(huán)的發(fā)電換熱設(shè)備。一般認為，余熱鍋爐只是一個管式熱交換器，不存在飛灰磨損、輻射對流過熱、高溫腐蝕等問題，但經(jīng)過近多年的運行、檢修，余熱鍋爐受熱面承壓部件逐步顯現(xiàn)出一些設(shè)計、安裝、運行方面的缺陷，受熱面裂化受損出現(xiàn)泄漏。筆者列舉了幾種典型的電站余熱鍋爐受熱面泄漏，并對其進行分析，提出處理的方法和針對性的預防措施。

1 余熱鍋爐受熱面典型泄漏

1.1 設(shè)備概況

某燃機電站現(xiàn)有6臺機組：F級一期#1，#2機組2005年投產(chǎn)，配2套三壓、再熱、臥式、無補燃自然循環(huán)、室外布置的燃機余熱鍋爐；E級#5，#7機組2011年投產(chǎn)，配2套雙壓、臥式、無補燃、自身除氧的自然循環(huán)燃機余熱鍋爐；F級二期#3，#4機組2015年投產(chǎn)，配2套三壓、再熱、臥式、無補燃、自身除氧、室外布置的自然循環(huán)燃機余熱鍋爐。 至2018年4月，各鍋爐啟停次數(shù)見表1。

1.2 典型泄漏情況

1.2.1 低壓蒸發(fā)器(以下簡稱低蒸)、除氧蒸發(fā)器(以下簡稱除蒸)上聯(lián)箱進口管段泄漏

2012年5月，F(xiàn)級一期#2余熱鍋爐小修前和檢修后期水壓試驗中發(fā)現(xiàn)，低蒸至出口聯(lián)箱管段管壁出現(xiàn)較大面積內(nèi)腐蝕減薄(如圖1所示)，內(nèi)壁呈密集麻坑狀，缺陷發(fā)展直至貫穿管壁造成泄漏。核對后悶堵68根，加套管3根。

表1 鍋爐啟停次數(shù)

圖1 #2鍋爐泄漏管段剖面

2016年12月8日，運行人員發(fā)現(xiàn)E級#7余熱鍋爐尾部煙道與煙囪連接處西側(cè)蒙皮滴水，隨后的冷卻檢查中發(fā)現(xiàn)，爐頂除蒸出口集箱爐前第3排西側(cè)第1根和第2根出口管泄漏，泄漏點位于這2根出口管北側(cè)45°背弧處。經(jīng)測量，這2根出口管泄漏點周圍壁厚均為0.5 mm。

從圖2可見：泄漏點在上升管到聯(lián)箱角焊縫處；背弧減薄量最大，內(nèi)壁呈麻坑狀。

1.2.2 省煤器下聯(lián)箱出口管泄漏

F級一期#1，#2余熱鍋爐自投產(chǎn)至2008年，低壓省煤器(以下簡稱低省)、中壓省煤器(以下簡稱中省)、高壓省煤器(以下簡稱高省)下聯(lián)箱出口管多次因出現(xiàn)裂紋而泄漏，特別是中省聯(lián)箱泄漏更為頻繁，占四管泄漏的50%以上。圖3中，高、中、低省的下聯(lián)箱出口段漏點都在管座焊縫上方15～25 mm范圍內(nèi)。

圖3 #1鍋爐省煤器泄漏

1.2.3 F級二期#3，#4高溫過熱器(以下簡稱高過)輸水管斷裂泄漏

F級二期余熱鍋爐2015年下半年投運， 2016年2月8日，#3鍋爐高過1疏水匯集管斷裂。2016年2月16日，打開#4鍋爐高過底部人孔，檢查與#3鍋爐結(jié)構(gòu)完全相同的高過1疏水匯集管，發(fā)現(xiàn)補償器側(cè)的三通處焊縫熔合線已存在半圈裂紋，如圖4所示。

圖4 #4鍋爐疏水管裂紋

1.2.4 承插式管座裂紋

F級#1，#2鍋爐部分泄漏是承插式管座裂紋造成的，如#1鍋爐低省輸水管(如圖5所示)、低省末排輸水管，#2鍋爐高省空氣管，均為承插式管座焊口裂紋造成的泄漏。

圖5 #1鍋爐疏水管承插式焊口裂紋

1.2.5 爐頂空氣管管外腐蝕減薄

2013年1月23日，#2鍋爐低省北側(cè)西爐外第1根空氣管有大量水汽冒出，解除保溫查漏，確認為穿墻管底部管路外銹蝕泄漏(如圖6所示)，更換上焊口至爐頂350 mm長的管段。

圖6 #2鍋爐低省爐外空氣管漏點

2 原因分析及處理預防措施

2.1 低蒸、除蒸的內(nèi)腐蝕泄漏

2.1.1 原因分析

F級一期低蒸和E級除蒸泄漏均發(fā)生在蒸發(fā)器上聯(lián)箱進口管段，接近聯(lián)箱變徑處，內(nèi)壁減薄明顯，呈麻坑狀，聯(lián)箱兩側(cè)進口管比聯(lián)箱中部的進口管嚴重，前排受熱面管比后排受熱面管嚴重，是典型的流動加速腐蝕現(xiàn)象。

流動加速腐蝕一般發(fā)生在余熱鍋爐除蒸、低蒸上升管到出口集箱，有時在除蒸、低蒸出口至汽包內(nèi)也有表現(xiàn)。飽和溫度為150 ℃左右的對應工作壓力下，水對Fe3O4溶解最嚴重，是最容易產(chǎn)生流動加速腐蝕的區(qū)域。此時金屬表面呈均勻腐蝕狀，表面有一層由運行條件與水化學工況決定的多孔氧化層，該氧化層及金屬基體的溶解、剝離是一種持續(xù)、線性的過程[1]。Fe3O4溶解度隨爐水溫度和pH值的變化而變化，當爐水pH值在9.4～9.6時溶解曲線是平緩的，而當pH值在9.2以下時，溶解曲線在150 ℃左右范圍是單駝峰突變的；同時，管束中工質(zhì)流動狀態(tài)和速度也會對其產(chǎn)生影響，特別是變徑處產(chǎn)生湍流，流速加大，管內(nèi)工質(zhì)為紊流狀態(tài)時更加容易發(fā)生流動加速腐蝕。綜合條件影響下，流動加速腐蝕是一個緩慢的破壞過程。該電站F級、E級余熱鍋爐均在運行5 a左右時集中爆發(fā)腐蝕問題，嚴重降低了余熱鍋爐的可用率。

2.1.2 處理和預防產(chǎn)生

(1)爐水pH值的控制。控制給水品質(zhì)，在滿足給水品質(zhì)的條件下，通過加藥提高給水pH值，將pH值控制在9.4～9.6(不能超過9.6)，是減緩流動加速腐蝕的有效措施[2]。

(2)材料的選擇。管子材料選擇是另一個設(shè)計和改造方向。w(Cr)≥0.04%時合金鋼流動加速腐蝕速度大大降低，因此在采購F級二期#3，#4鍋爐主設(shè)備時，將低蒸管束材質(zhì)由碳鋼更換為SA213T22。從目前的測厚情況看，運行2 a多未見異常減薄情況。設(shè)備檢修期間，將F級一期和E級低蒸、除蒸受損出口管段材質(zhì)更換為T22材料，并適當增加壁厚。

(3)煙溫監(jiān)視。蒸發(fā)器模塊沿爐膛寬度方向不可避免地會產(chǎn)生煙氣走廊和局部管束溫度偏高的現(xiàn)象，從而增加該處管束的受熱，加速工質(zhì)流動，加快流動加速腐蝕的發(fā)展。實踐中，在低蒸單個模塊兩側(cè)和中間部分增加了溫度測點，嚴格監(jiān)視并及時根據(jù)煙溫變化檢查爐內(nèi)折煙板和擋煙板的情況并進行修復。

(4)檢修檢查。重視余熱鍋爐的防爆檢查，嚴格遵循逢停必查的原則，隨時關(guān)注受熱面流動加速腐蝕的發(fā)展情況，定期測厚并對比內(nèi)窺鏡記錄，提前發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄情況及嚴重程度，以確定最佳的處理和改造時機[3]。

2.2 省煤器下聯(lián)箱出口管泄漏

2.2.1 原因分析

如圖7所示，F(xiàn)級一期余熱鍋爐高、中、低省的下聯(lián)箱出口段漏點發(fā)生在立式布置的下集箱出口管處。F級一期燃機頻繁啟停調(diào)峰運行，由于高、中、低省模塊都是箱式垂直布置，通過箱體的全部受力由頂部大板梁承受，下聯(lián)箱處于膨脹最遠端，下聯(lián)箱引出管，特別是聯(lián)箱彎管處長期受到壓力、溫度的持續(xù)作用和周期性交變應力作用產(chǎn)生疲勞，造成受熱面金屬失效泄漏。

圖7 F級一期燃機余熱鍋爐4020模塊省煤器

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組啟停快，1 h之內(nèi)即可帶至滿負荷運行，更能滿足目前電網(wǎng)深度調(diào)峰運行的要求。從表1可以看出，F(xiàn)級一、二期機組為純發(fā)電機組，每年啟停100次左右，E級機組是熱電聯(lián)產(chǎn)機組，確保供熱的情況下啟停相對較少，平均每年10次左右，這也是E級鍋爐至今未發(fā)生類似狀況的重要原因。

臥式布置鍋爐頂部懸掛安裝，底部聯(lián)箱處于膨脹最遠端，運行煙氣溫度為250 ℃左右，懸吊膨脹死點在23 m層，底部實測膨脹量大于50 mm。45°出口管背弧處于膨脹遠端的薄弱處，每次啟停就經(jīng)受一次膨脹收縮和一次彎曲拉直，錯列逆流布置的直管受壓、受拉能力相對彎管要強，而焊口強度一般比母材要大，焊口上沿10～20 mm相對薄弱，所以聯(lián)箱端部的引出彎管在鍋爐啟停過程中受長期交變應力作用產(chǎn)生金屬失效，最后造成泄漏。

2.2.2 應力疲勞處理

(1)在低省45°彎頭背弧處對焊30 mm×30 mm(長×寬)的加強區(qū)，過渡處打磨圓滑，適當增加該薄弱部位的強度，目前一期2臺余熱鍋爐低省、高省均采用這種方法進行了處理。另外，定期對這類易漏部位進行磁粉及著色探傷檢查，及時發(fā)現(xiàn)缺陷。

(2)在2016，2017年的2次檢修期間，更換了中省整組聯(lián)箱，采用加強管座并適當增加了壁厚，運行至今，中省下聯(lián)箱出口管未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

2.3 F級二期 #3， #4高過輸水管斷裂泄漏

2.3.1 原因分析

至2016年1月31日，#3，#4機組已分別運行2 200，805 h，點火次數(shù)分別為18，9次，且多為熱態(tài)啟動。機組投運時間不長，點火次數(shù)不多且多為熱態(tài)啟動，冷熱交變次數(shù)不多。斷口均在焊縫表面和母材交界處；焊縫表面未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊縫與母材間的焊趾處有淺淺的咬邊及縮溝，三通斷口面未發(fā)現(xiàn)缺陷；斷口基本齊平，無明顯塑性變形；斷口面宏觀呈深色的銹蝕狀態(tài)，有明顯的放射紋。現(xiàn)場使用的三通采用熱壓工藝，光譜復驗材質(zhì)為12Cr1MoV。從圖8的斷口判斷，該斷口為材料脆性破壞。

圖8 F級二期 #3余熱鍋爐高過1疏水管斷口

機組運行時，高過1模塊整體向下膨脹量可達130 mm左右，通過下聯(lián)箱疏水管、水平匯集管、垂直匯集管傳遞到爐外軸向補償器。如圖9所示，水平管段2個三通之間距離僅為280 mm，剛性大、柔度不足。爐外采用TB型軸向補償器，預變形量為0。

圖9 #3余熱鍋爐高過1疏水管斷口位置

當高過1向下膨脹時，其產(chǎn)生的壓力通過聯(lián)箱下疏水管作用在水平匯集管三通處，通過匯集疏水管段、垂直疏水管傳遞到爐外補償器產(chǎn)生軸向壓縮變形x(mm)，隨著模塊介質(zhì)溫度的升高以及補償器變形的加大，補償器會產(chǎn)生反推力Fx，通過疏水管作用在A處。Fx=fKxx，其中：Kx為補償器軸向剛度(N/mm)，為定值；f為系數(shù)，預變形量為0時，f取1/2。

當機組平穩(wěn)運行，x達一定值不再增加時，補償器反推力Fx與模塊膨脹力Fp基本接近，作用在B處，水平匯集管2個三通處變成相互支點，280 mm的匯集疏水管變成力臂，在兩處產(chǎn)生扭矩，相應在三通焊縫焊趾處產(chǎn)生剪切應力。#3，#4鍋爐高過疏水1的結(jié)構(gòu)、運行工況相同，現(xiàn)#4鍋爐產(chǎn)生的裂紋可以作為上述分析的佐證。因三通之間管段2處受到的力矩大小基本相同、方向相反、結(jié)構(gòu)對稱且三通為同批制造，所以開裂、斷裂同步直至脫落。綜上分析，斷裂原因是疏水管膨脹不暢、布置結(jié)構(gòu)不佳、三通材料塑韌性不夠。

2.3.2 處理措施

(1)針對輸水管膨脹不暢、布置結(jié)構(gòu)不佳產(chǎn)生脆性破壞的現(xiàn)象，將爐底穿墻管金屬伸縮節(jié)改為非金屬伸縮節(jié)。非金屬伸縮節(jié)可以避免反向應力的產(chǎn)生，但在高溫區(qū)，非金屬伸縮節(jié)內(nèi)部保溫處理不好的話老化較快，需經(jīng)常檢查，防止煙氣滲漏。

(2)如果爐內(nèi)空間足夠，可適當在輸水管垂直段增加Π形彎來吸收膨脹量，以減少或避免爐外側(cè)使用非金屬伸縮節(jié)定期更換的費用。

2.4 承插式焊口泄漏

2.4.1 原因分析

國內(nèi)設(shè)計的煤機鍋爐承壓部件一般采用對接式焊接方式，對2道焊口之間的長度也有具體要求，但隨著燃機余熱鍋爐的建造以及國外標準的進入，這項規(guī)定也慢慢淡化了，承插式焊接方式已經(jīng)普遍在余熱鍋爐的承壓部件中應用。承插式焊縫無法進行射線探傷，無法全方位檢查焊接質(zhì)量，現(xiàn)場一般采用磁粉、著色進行淺表層的檢查。F級一期鍋爐由福斯特惠勒動力機械有限公司設(shè)計，爐頂空氣管、爐底輸水管大量采用承插式焊接工藝，低壓側(cè)空氣管、輸水管已經(jīng)多次出現(xiàn)焊接缺陷造成的泄漏。值得注意的是，承插式焊縫會產(chǎn)生邊緣裂紋現(xiàn)象。由圖5可以看出，F(xiàn)級一期低省承插式輸水管座焊口邊緣撕裂，割管檢查發(fā)現(xiàn)，插入管完全頂至三通內(nèi)部臺階處，插入管段膨脹受阻，導致焊口與母材結(jié)合部撕裂。F級二期和E級余熱鍋爐均為杭州鍋爐集團設(shè)計，不存在承插式的焊縫引起的四管泄漏。

2.4.2 處理措施

(1)施工工藝要求將插入段插至內(nèi)部臺階處，再回退3～5 mm焊接。

(2)盡可能改承插式焊口為對接式焊口，焊后可進行無損探傷，避免缺陷遺留在承壓部件中。

2011年，將F級一期#1，#2余熱鍋爐低省輸水管、高蒸疏水管、低蒸空氣管的承插式焊接改為對接式焊接，效果良好。

2.5 爐頂空氣管管外腐蝕減薄

2.5.1 原因分析

余熱鍋爐爐頂、爐底穿墻一般設(shè)計安裝伸縮節(jié)，以吸收金屬管道受熱膨脹變形并起到密封作用，F(xiàn)級一期鍋爐爐頂未設(shè)計防雨大罩。在低溫區(qū)域，由于模塊的空氣管膨脹量小，直接采用Π形爐內(nèi)管道來抵消膨脹量，穿墻處密封采用空氣管直接焊接頂板的方式，爐頂積水和保溫積水造成空氣管與爐頂焊接處腐蝕，最終發(fā)生泄漏。

2.5.2 預防措施

爐頂空氣管穿墻處增加擋水圈、蓋板，避免積水，同樣也可以直接將穿墻處的管段更換為不銹鋼管。

2017年年底，F(xiàn)級一期2臺鍋爐設(shè)計并安裝了爐頂雨棚，更進一步防止爐頂設(shè)備的銹蝕，保護設(shè)備的健康。

3 結(jié)束語

余熱鍋爐是電廠的重要主機設(shè)備，受熱面的失效泄漏是導致余熱鍋爐可用率損失的主要原因，也是目前余熱鍋爐設(shè)計、運行維護及技術(shù)監(jiān)督最重要的技術(shù)管理環(huán)節(jié)。本文總結(jié)了某電站幾項典型電站余熱鍋爐的受熱面泄漏，并對其進行分析和處理，提出針對性的預防措施，以確保設(shè)備的健康。