1 000 MW超超臨界鍋爐過熱器爆管原因分析及防范措施

王學禮

(華電萊州發電有限公司，山東 煙臺 261441)

0 引言

高參數、大容量的超臨界和超超臨界發電技術已實現了燃煤發電機組的“高效、節能、潔凈、可靠”運行，并不斷向節能降耗、改善環保的方向發展。我國現已成為擁有1 000 MW超超臨界機組最多的國家。但高溫、高壓等高參數運行對鍋爐受熱面的金屬管材在耐高溫、抗蠕變、抗氧化等方面提出更高要求，在設計、制造、安裝、調試、運行過程中任一環節的問題均可能造成高溫受熱面爆管事故，嚴重影響機組安全、經濟、高效運行[1]。本文針對某電廠1 000 MW超超臨界鍋爐點火、并網至滿負荷后，高溫過熱器(以下簡稱高過)發生爆管泄漏事故進行原因分析并制定相關防范措施。

1 電廠鍋爐受熱面設備簡介

某電廠1 000 MW超超臨界機組燃煤鍋爐為高效超超臨界參數變壓直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、運轉層以上露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。旋流燃燒器采用前后墻對沖低NOx燃燒。屏式過熱器(以下簡稱屏過)位于爐膛上部，高過位于折焰角上方，高溫再熱器(以下簡稱高再)布置于高過后的水平煙道內。高過、高再、屏過受熱面入口管段材質均為TP347HFG,出口段材質為SUP304H。高過共36屏，每屏26個管圈，管屏呈U型，外3圈管材為HR3C材料。高過入口集箱除最外圈均設置節流孔。

過熱器的蒸汽溫度是由燃料、給水比和兩級噴水減溫器來控制。第一級減溫器位于低溫過熱器出口集箱與屏過進口集箱的連接管上，第二級減溫器位于屏過出口集箱與高過進口集箱的連接管上。每級左右兩側各有1只減溫器。

2 高過爆管的過程及現場檢查情況

2017-09-19 T 10:35，機組負荷1 024 MW，主蒸汽(以下簡稱主汽)壓力25.19 MPa，主汽溫度597.67 ℃。鍋爐#23,#26,#32“四管泄漏”報警發出。就地檢查，鍋爐本體60.50 m處爐前方向有哧汽聲，前墻中間觀火孔處聲音最大，判斷為高過發生爆管。

停爐后檢查發現高過左數第16屏外第11個管圈在入口段TP347HFG和出口段SUPER304H材料焊縫上側爆開，爆口處管段嚴重變形，爆口處管子壁厚減薄不明顯，爆口邊緣存在大量沿管軸向的蠕脹裂紋，爆口邊緣管徑明顯脹粗，如圖1所示。距爆管邊緣約100 mm，800 mm處的TP347HFG管徑分別為47.72 mm，46.75 mm(原始外徑45 mm)，管徑脹粗量分別為6.0%和3.9%。

圖1 高過爆口原狀

Fig.1 Explosion part of high temperaturesuperheater tube

3 高過爆管原因分析

超超臨界鍋爐高過爆管原因涉及設計、制造、安裝、調試、運行、檢修等多方面因素。針對本次過熱器爆口原狀，通過查閱壁溫曲線、取樣檢驗、異物檢測等手段逐層分析，確定高過爆管原因。

3.1 設計因素

調研國內與本電廠爐型一致的眾多鍋爐，其他同類型鍋爐運行時間最長達5年，高過未因結構原因發生爆管現象；對高過左數第14個聯箱第11個節流孔尺寸進行了測量，節流孔尺寸和圖紙相符，排除設計原因。

3.2 樣管金相組織檢驗

奧氏體鋼因其優良的高溫抗氧化性能在超超臨界機組中得到廣泛應用。高過入口管段的TP347HFG細晶奧氏體耐熱鋼，屬于18Cr-8Ni系列鋼，出口段的SUP304H細晶奧氏體耐熱鋼為TP304H奧氏體鋼的改進型，外3圈HR3C鋼為25Cr-20Ni鋼。發生爆管的高過樣管宏觀檢查無變色，爆口金相檢驗結果呈短時超溫爆管特征。對高過多個未脹粗的樣管進行金相、化學成分、機械性能分析，結果均合格，排除管材質量的問題。

3.3 高過壁溫超溫情況

超超臨界鍋爐高溫受熱面主要是過熱和再熱，管道材料的設計工作溫度接近材質的許用極限溫度范圍，且工作于高溫煙氣環境中，管壁易因負荷突變、制粉系統啟停、受熱面掉焦等原因發生局部超溫，甚至引起受熱面爆管。查閱發現高過第16屏第1—4根管子壁溫自9月17日鍋爐點火至9月19日前壁溫無超溫情況，排除鍋爐運行中大面積超溫爆管的可能。

3.4 高過水塞

超超臨界1 000 MW直流鍋爐高過水塞事件危害極大，輕者會造成主汽溫大幅降低而危及汽輪機運行，嚴重者導致過熱器管束內蒸汽流動停滯、過熱器管瞬間超溫爆管。通過查閱相關資料，過熱器水塞主要發生在鍋爐升溫升壓階段或機組帶20%負荷時[2]。通過分析大修后機組的幾次啟停和運行情況，調閱鍋爐首次點火啟動的歷史曲線，屏底煙溫最高為600 ℃，對應的高過處煙溫在500～600 ℃之間，而高過材質允許壁溫的上限值是649℃，排除了機組啟動過程中高過水塞導致過熱的可能。

3.5 高過異物堵塞

超超臨界鍋爐高過因異物堵塞而爆管是目前絕大多數機組在試運行及正式運行過程中頻繁出現的問題[3]。本文重點對高過節流孔、氧化鐵皮堆積、減溫器運行進行相關檢查、確認。

3.5.1 氧化皮檢測情況

超超臨界鍋爐工質水動力特性變化會引起受熱面傳熱特性的改變，高溫受熱面易發生蒸汽側氧化腐蝕。其中超超臨界鍋爐受熱面因氧化皮生成、剝落堵塞管道引起超溫爆管的問題尤為嚴重[4]，威脅火電機組安全、經濟運行。本次對鍋爐高過所有管排氧化皮堆積情況進行了檢測，未發現氧化皮堆積現象，重點對已脹粗但未爆管和管子下彎頭處進行了割管檢查，管子厚度較薄、致密完整，未見明顯剝落痕跡，無氧化皮堆積現象，排除了氧化皮堆積導致的堵塞爆管。

3.5.2 高過入口小集箱及脹粗超標管節流孔異物排查情況

對鍋爐爐頂大包內高過全部入口小集箱(共18個)割除手孔，進行了內窺鏡檢查，未發現異物。

為防止內窺鏡在小集箱內看不清楚節流孔內部的情況，將高過入口14—11，12—18排管自集箱下部T91管子處割開，對節流孔進行了內窺鏡檢查，同時由割口處向下用內窺鏡檢查管子內部，未發現異物，高過節流孔內窺鏡檢查情況如圖2所示。

圖2 高過節流孔內窺鏡檢查

Fig.2 High temperature superheater orificeinspected by endoscope

3.5.3 高過熱器噴水減溫器檢查情況

對過熱器二級A，B側減溫器檢查時，發現混合管前部固定銷與混合管墊板結合部位受損，混合管晃動導致此處磨出橢圓孔(銷孔原直徑為34 mm，橢圓孔長軸達50 mm)，且在墊板的銷孔邊角擠壓出金屬翻邊薄片，如圖3所示。

圖3 A，B側二級減溫器圓銷孔磨損情況

Fig.3 The wearing of round pin hole on A, B sidesecondary desuperheater

割管檢查過熱器二級A，B兩側減溫器，發現最大的未脫落的金屬卷邊尺寸為30 mm×20 mm，大于高過管圈節流孔，且混合管沿減溫器長度方向的最大磨損量估算已達17 mm。過熱器二級A側噴水減溫器墊板清理出的金屬卷邊如圖4所示。

圖4 過熱器二級A側減溫器墊板清理出的 金屬卷邊

Fig.4 Metal crimping under the pad of superheatersecondary A side desuperheater

綜上檢測、分析，確定本次高過爆管的主要原因為過熱器二級噴水減溫器存在設計缺陷，混合管振動造成圓柱銷和混合管、噴管和混合管之間摩擦擠壓出金屬卷邊薄片，金屬薄片脫落后，跟隨汽流移動到高過入口節流孔處，導致被堵塞的管子蒸汽流通量減小，冷卻不足最終造成管壁過熱而爆管[5]。

4 對策制定及實施

根據本次高過爆管的原因分析，制定防止高過過熱爆管相關對策。

(1)割開鍋爐6個噴水減溫器(過熱器一級A，B側減溫器；過熱器二級A，B側減溫器；再熱器A，B側減溫器)入口管段進行全面檢查，清理摩擦部位產生的金屬卷邊薄片。

(2)改進鍋爐所有減溫器混合管固定方式，將減溫器圓柱銷和混合管進行焊接，防止混合管移位。

(3)將鍋爐高過入口下部異種鋼材鋼管(?45 mm×8.2 mm，TP347HFG)焊口處向上3.5 m局部更換為? 45 mm×8.3 mm，SUP304H的管材。

(4)加強防磨防爆檢查管理，在機組檢修中對高溫再熱器、高過、屏式過熱器TP347HFG管子進行全面檢查和蠕脹測量，發現超標管段及時更換。

5 結論

(1)本文針對某電廠超超臨界鍋爐高過爆管泄漏事故，深入研究分析，確定過熱器二級噴水減溫器設計缺陷為導致高過過熱爆管的主要原因。

(2)根據本次高過爆管原因，制定相關應對措施，對國內同類型超超臨界鍋爐防止高過爆管、安全運行具有一定的借鑒和指導意義。

(3)超超臨界鍋爐設計較多孔徑極小的節流孔，容易發生異物堵塞，從而造成管段局部超溫爆管，清潔度檢查時應將節流孔作為重點檢查部位，消除爆管隱患。