超超臨界機組鍋爐省煤器出口集箱排氣管泄漏原因分析及處置

王 偉 孟德彪 劉川槐 劉 濤 王建明 朱 睿

淮浙煤電鳳臺發電分公司 安徽 淮南 232131

1 設備概況

某大型火力發電廠二期2×660MW 超超臨界機組配套鍋爐由上海鍋爐廠有限公司制造。鍋爐為SG-2009/28-M6004 型超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐,單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、Π 型露天布置、固態排渣、全鋼架懸吊結構。BMCR工況下省煤器進/出口給水溫度為301/328℃,省煤器進/出口設計壓力為31.8/31.4MPa。省煤器出口集箱規格型號為Φ406×65,材質：SA-106C。省煤器出口集箱排氣管規格型號：Φ34×7,材質：SA210-C。

2 泄漏情況描述

2016年9月22日,該電廠3號爐后墻水冷壁懸吊管第1-9管壁溫測點溫度異常降低,由430℃突降至370℃,未見其他異常。點檢就地檢查發現,大包穿墻管有連續滴水現象,大包內有異音,判斷大包內發生泄漏,向網調申請停機。

9月26日,檢修人員進入3號爐爐頂大包廂內進行檢查。發現后墻水冷壁出口集箱A 側數第1-9管懸吊管保溫有吹損,且管壁有水蒸氣吹掃的痕跡。同時發現省煤器出口集箱排氣管在高再集箱靠A側上方管段脹粗嚴重并發生爆破泄漏,泄漏部位照片如圖1所示。

圖1 省煤器出口集箱排氣管泄漏照片

該排氣管經光譜復核材質與設計材質一致,為SA210-C,泄漏部位管段外徑為40.5mm,與設計外徑34mm 相比脹粗6.5mm,脹粗率19%。爆管部位附近8米長的管段內均有不同程度的脹粗現象,距離泄漏點8米以外的部位,無明顯脹粗現象。

3 原因分析

3.1 長期超溫過熱是造成該排氣管泄漏的直接原因

3.1.1 爆口的宏觀特征 圖1 所示：爆口部位呈明顯的脹粗撕裂,脆性斷口特征明顯,爆口斷面粗糙,邊緣為不平整的鈍邊,爆口處管壁厚度無明顯減薄現象。爆口附近管內壁存在大量的與爆口方向一致的縱向裂紋,且爆口附近最大相對脹粗值高達19%等等,具有蠕變斷裂的一般特征。

3.1.2 爆口的微觀特征 泄漏部位管段的顯微組織金相圖如圖2(a～c)所示：

顯微組織分析可以看出,該排氣管爆口處材質球化4 級,爆口附近處材質球化5級,常規管球化2 級。同時,硬度檢測三個部位的硬度值分別為122.6HB、159.4HB、127.6HB。分析結果認為,該排氣管長期處于450℃以上的環境溫度下運行,導致材料的組織發生變化,珠光體球化嚴重,組織性能下降并最終發生爆管泄漏。

通過對爆口部位的宏觀特征及微觀特征分析可以看出,造成低溫省煤器出口集箱排氣管泄漏的主要原因為長期超溫過熱。

圖2 排氣管取樣管段顯微組織

3.2 基建安裝期間,施工單位私自更改管道布置是造成該排氣管超溫泄漏的主要原因 排氣管道布置的設計要求：自省煤器出口集箱管接座引出后,排氣管平行于集箱走向直接穿出爐頂大包廂,并在大包廂外接至排氣集箱。但在基建安裝期間,施工單位為了集中布置,將所有集箱的排氣管在大包廂內集中布置,最后經過高溫再熱器和高溫過熱器區域后在屏過區域上方位置集中穿墻而出,最后接至爐頂排氣管集箱。

由于各排氣管均無保溫設計,排氣管經高溫集箱頂部區域時會受環境溫度影響而過熱。且機組運行期間排氣管內無冷卻介質流動,更容易造成長期超溫問題。經測量,機組正常運行期間,大包廂內高再和高過區域上方運行溫度均在500℃以上,大大超出了SA210-C 材質的最高允許運行溫度,這是造成該管長期嚴重超溫泄漏的主要原因。

3.3 設計選材等級較低是造成該排氣管泄漏的次要原因 該廠鍋爐省煤器出口集箱排氣管道設計選材為SA210-C,根據《火力發電廠金屬材料手冊》介紹,該材質蒸汽管道長期使用的最高壁溫≤450℃。該電廠運行期間爐頂大包廂內頂部溫度場分布實測數據顯示：省煤器出口聯箱上方區域運行溫度約450℃,高過和高再聯箱上方區域運行溫度500℃以上,屏過上方區域運行溫度470℃以上。對于省煤器出口集箱排氣管的實際布置情況而言,該管材質選用SA210-C,其材料等級偏低,無法滿足機組正常運行的需要。

4 事故暴露出的問題

4.1 基建安裝期間,監理人員及管理人員存在管理上的過失基建安裝期間,施工單位在未征得鍋爐設計廠家同意的情況下,私自更改集箱排氣管道的布置。作為安裝質量監督的監理人員及管理人員未能發現,也未提出質疑,管理上存過失。安裝過程中如能及時發現,并征求鍋爐設計廠家的意見,完全可以按照廠家設計方案重新布置排氣管的走向,或者通過提高省煤器出口集箱排氣管的材質等級,避免該排氣管超溫泄漏事故的發生。

4.2 爐頂大包廂內高溫集箱保溫質量差,造成大包廂內整體環境溫度較高 根據鍋爐廠《爐墻及保溫說明書》要求,該廠爐頂大包廂內除高溫過熱器進出口集箱與管束、高再進出口集箱與管束、后屏過熱器出口集箱及管束等溫度大于520℃集箱、管束需要進行保溫外,其余前屏過熱器進出口集箱、低溫過熱出口集箱、低溫再熱器出口集箱等均不做保溫設計。而在實際測溫過程中,高溫過熱器、高溫再熱器及后屏過熱器區域的最高環境溫度均達到470℃以上,尤其是高溫過熱器及高溫再熱器區域,環境溫度甚至高達500℃以上,大大超過鍋爐廠480℃封閉的溫室空間設計要求。

5 防范措施

5.1 優化爐頂大包廂內高溫集箱及管束的保溫設計 該廠利用3、4號機組調停檢修的機會,對高過、高再及后屏過熱器出口集箱及管束保溫重新進行了優化。在以上集箱和管束上鋪設一層不銹鋼板網,然后用三層50mm 厚的硅酸鋁纖維針刺毯替代原來的兩層40mm厚的硅酸鋁纖維針刺毯,硅酸鋁纖維針刺毯錯縫、壓縫、擠縫布置,并在保溫材料外用一層不銹鋼六角網包裹,用不銹鐵絲捆扎。通過保溫設計優化,降低了高溫集箱及管束的散熱,降低爐頂大包廂內密閉空間的環境溫度。

5.2 對省煤器排氣管材料升級,提高其耐溫性能 該廠利用檢修機會,將省煤器出口集箱排氣管從集箱管接座至大包廂外500mm范圍內的管段全部進行材料升級更換,材質由SA210-C 更換為15Cr MoG,其中,高再、高溫及后屏過熱器區域管段材質更換為12Cr1Mo VG,提高了排氣管的耐溫性能。

5.3 制定計劃,對各集箱排氣管道布置重新檢查調整 根據此次事故的經驗和教訓,該廠制定機組B 修計劃。對爐頂大包廂內所有的排氣管道布置情況對照設計圖紙進行全面的檢查,發現違反設計圖紙布置的管道,全面進行管道壽命評估,并按照設計圖紙重新進行管道布置調整,確保所有排氣管長期運行的安全可靠性。