上海并網電廠2019年度發電鍋爐“四管”泄漏統計及案例分析

陸 云，陳 捷 ，陳宇騁

(1. 國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2.上海外高橋發電廠有限責任公司，上海 200245；3.國網上海市電力公司市南供電公司，上海 200233)

為保證電網安全運行，對上海各并網發電廠能夠及時響應電網提出更高的要求，導致發電鍋爐設備必須能保證“零非停”[1]。為消除發電鍋爐設備的安全隱患，各電廠在機組檢修中都非常重視對發電鍋爐的防磨、防爆檢查，結合發電鍋爐防磨防爆和定期檢驗，對檢查發現的設備短板和缺陷隱患進行及時處理，同時做好反措，有效地避免和減少了發電鍋爐“四管”爆泄事故的發生。

到2019年底為止，上海市并網電廠總裝機容量為24 356 MW，其中900 MW超臨界級以上燃煤機組6臺，600 MW及以上燃煤機組6臺，300 MW級燃煤機組15臺，125 MW及以下機組11臺，燃氣輪機機組18臺。根據2019年度各電廠上報的數據統計，上海地區并網電廠“四管”泄漏和承壓部件泄漏共發生17次，整個上海并網電廠全年平均爆泄率達到監督目標管理的要求(≤2次/臺·年)。

1 “四管”泄漏典型案例分析

1.1 鍋爐水冷壁失效分析

2019年1月，上海某發電廠1號機組爐膛的53 m標高4號角靠爐右側水冷壁轉角彎頭焊口發生泄漏。該處水冷壁管材質為SA213-T23，管道規格為Φ38 mm×6.8 mm。水冷壁泄漏時，機組正常運行。

(1) 宏觀檢查。泄漏管割管后形貌見圖1。從外表面檢查未見開裂情況，表面只見堆焊和吹損痕跡。將左側管子打開后，發現內壁存在一橫向開裂裂紋，裂紋起始點為焊瘤位置，在主裂紋的90°方向，也發現外壁有微裂紋。將試樣A打開，可見裂紋由內壁焊瘤處起始，沿虛箭頭方向擴展，外壁邊緣側白亮區域為終斷區域(人工斷口)。

圖1 泄漏管宏觀形貌

(2)金相分析。圖2為試樣B裂紋腐蝕后的形貌，裂紋由外壁起始，沿著熱影響區方向擴展。左上角為焊縫區域，由左到右分別為粗晶區域、細晶區域和母材，可見裂紋由熱影響區起始大致沿著粗晶與細晶分界線擴展。試樣B裂紋是試樣A主裂紋擴展至外壁的延伸裂紋。試樣A焊瘤處最左側區域為焊瘤焊縫區域，左側依次分別為粗晶區域，細晶區域和母材，左上角區域為粗晶與細晶的分界區域，推測為斷裂起始區域。焊瘤上側熱影響區有沿著主裂紋開裂方向的微裂紋存在。

圖2 試樣B腐蝕形貌

(3)硬度分析。利用UH250布洛維臺式硬度計和402MVD顯微維氏硬度計對泄露水冷壁管樣母材區域、熱影響區和焊縫位置分別進行硬度檢測。布氏硬度檢測力值為612.5 N，壓頭直徑2.5 mm，試驗力保持時間為10 s，顯微硬度檢測力值9.8 N，試驗力保持時間為10 s。其檢測結果如圖3所示。

圖3 試樣C裂紋處附近硬度測點數據

由分析可知：水冷壁管向火面焊縫布氏硬度值略低于背火面，硬度差別不大，但均超過了DL/T438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》中對T23焊縫的硬度要求范圍上限(HB150～260)；開裂區域處母材硬度值合格，在標準規定上限附近，焊縫區域硬度超標，且熱影響區區域硬度更高，超出母材硬度近200 HBW。依據DL/T868—2014《焊接工藝評定規程》對于焊縫的硬度規定：不低于母材硬度的90%，不超過母材布氏硬度加100 HBW。熱影響區與緊鄰的焊縫兩者過高的硬度差值，使此區域極易敏感，容易產生應力集中，萌生裂紋缺陷。

DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》對T23材料規定的母材硬度值范圍為150～220 HBW，焊縫硬度值范圍為150～260 HBW。

通過分析，可以得到以下結論。

(1)由泄漏水冷壁管宏觀檢查可知，水冷壁管對接焊縫在內壁焊瘤處有一環向裂紋且已貫穿管壁，后經補焊修復，外壁處有裂紋擴展痕跡。初步判斷水冷壁管失效原因由焊縫裂紋擴展所致。

(2)從金相組織分析可知，水冷壁對接焊縫焊瘤處及組織含有硬脆的馬氏體組織，晶粒較為粗大，熱影響區有微裂紋的存在。

(3)從硬度分析可知，水冷壁管對接焊縫及其熱影響區較高的硬度值表明焊后未經熱處理，焊縫硬度超標，而熱影響區又高出焊縫硬度和母材很多，易產生應力集中，加劇脆性裂紋的萌生與擴展。

T23水冷壁管泄漏為水冷壁管對接焊縫裂紋導致，焊縫裂紋擴展導致管壁開裂而發生蒸汽泄漏。這與焊接過程工藝控制不當有關，致使焊縫及熱影響區硬度偏高，塑性、韌性較差，易形成應力集中，在交變應力力作用下萌生裂紋，導致裂紋沿熔合線擴展至母材，最終引起蒸汽泄漏。

在后續實施了以下糾正措施。

(1)增加檢修焊縫硬度抽查比例，由目前10%，提高到100%(注標準硬度抽檢5%)。

(2)嚴格執行T23焊接工藝，做好多層多道小電流焊接，同時做好焊前預熱、焊后后熱并緩冷保溫措施，防止焊縫冷卻速度過快，焊縫硬度超標。

(3)加強焊工操作技能管理，防止焊工操作姿勢不當造成焊縫根部焊瘤或者內凹。

(4)加強焊縫X光射線底片評定監督工作，對焊縫存在內凸和內凹超標的，必須返修。

1.2 7號爐水冷壁泄漏

2019年7月，上海某電廠1號機組運行中出現水冷壁管泄漏(見圖4)。

圖4 水冷壁管泄漏宏觀照

理化檢驗結果，送檢水冷壁管的化學成分、抗拉強度、屈服強度及洛氏硬度均滿足JIS G3461標準對STB42鋼的要求，金相檢驗發現，1號管取樣的母材組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別2級，石墨化1.5級，內壁有較多的氧化裂紋及凹坑。2號管各位置取樣母材組織也為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別2.5級，石墨化1.5級，內壁有較多的氧化裂紋及凹坑，裂紋尖端較為圓鈍。主裂紋位于母材處，由內壁啟裂向外壁擴展。因此，可排除因材質不合格、材質老化及焊接問題引起的泄漏。

通過進一步分析發現，漏點①處內壁除開口較大的主裂紋外，還有較多與主裂紋平行的直線型軸向裂紋，裂紋內已氧化，裂紋尖端較為圓鈍，送檢管內壁除裂紋外還有較多的氧化凹坑。將主裂紋打開后進行斷口觀察發現，斷口微觀上已氧化，表面可見較多疏松的氧化物。從主裂紋的宏微觀形貌特征來看，為典型的熱疲勞裂紋。這可能是由于鍋爐啟停或調峰過程中，水冷壁管運行溫度發生變化，管內壁產生較大的環向應力，而與鰭片等焊接附件邊緣對應的內壁部位局部應力會更高。長時間運行過程中，水冷壁管內壁應力最大處出現了熱疲勞裂紋的萌生和擴展。

此外，內壁宏觀上可見明顯的腐蝕特征，對腐蝕產物進行能譜分析發現，腐蝕產物內除鐵的氧化物外，含有少量的Al、Na、Mg、Cl、S、K、Ca 等元素。由此表明，送檢水冷壁管內壁存在一定的腐蝕作用，而內壁腐蝕促進了裂紋的萌生和擴展。

綜上分析，送檢的水冷壁管2號管內壁裂紋擴展至貫穿后優先發生泄漏，之后1號管受2號管溢出的高速蒸汽吹損而減薄而泄漏。主裂紋的開裂性質為熱疲勞裂紋，內壁腐蝕作用促進了裂紋的萌生和擴展。

1.3 ND鋼煙冷器腐蝕泄漏

泄漏原因：煙冷器換熱管在出廠加工過程中，生產廠家未按照生產工藝要求對受熱面換熱管兩端的渦流探傷盲區進行切除，部分探傷盲區存在缺陷的換熱管發生泄漏，導致密封箱體內積水，ND鋼在酸性水中浸泡，會快速腐蝕減薄，從而導致多發性的泄漏。

處理方案具體如下。

(1)利用檢修或調停機會，對1，2號爐煙冷器膨脹端低、中溫段密封箱體內的彎頭及直管逐步進行更換。根據彎頭切除后換熱管直管段管壁厚度減薄情況確定是否需要更換至側密封板內側，即密封板內側將存在焊縫。

(2)原則同意在1，2號煙冷器膨脹端高、中、低溫段密封盒底部加裝排水管，便于盡早發現煙冷器泄漏。

(3)針對1，2號爐煙冷器泄漏事故采取更換彎頭的方式解決。受熱面彎管更換至管板內部，可接長受熱面管，同時更換密封管板并加裝套管，彎管材料由ND鋼升級為316L不銹鋼。

根據某電廠與上海成套設計研究院的討論方案，對1，2號爐膨脹端密封盒高、中、低溫模塊加裝排水管。逐步對1，2號爐煙冷器密封盒內ND鋼、20G材料升級為316L不銹鋼。在2017年5月，1號機組檢修過程中，對1號爐3、4號煙冷器固定端中、低溫段下10屏更換為316L彎頭，且部分彎頭的直管也進行了更換(即焊縫放至側密封板內側)。對于此缺陷，防磨防爆小組進行過統計，1，2號爐煙冷器密封盒內彎管材料全部進行升級為316L，需換彎管8 064根，焊口32 256只。

2 “四管”泄漏統計次數及原因比較

2019年度上海地區并網電廠“四管”泄漏和承壓部件泄漏共發生17次，其中125 MW機組以下發生6次，300 MW以上機組發生6次，600 MW機組發生4次，900 MW以上機組發生1次。

2019年度上海市并網電廠共發生“四管”和承壓部件泄漏17次，其中省煤器泄漏發生1次，再熱器泄漏發生0次，過熱器泄漏發生5次，水冷壁泄漏發生9次，其他部件發生泄漏2次。

2019年度上海市并網電廠共發生“四管”泄漏17次。其中，由于設計原因泄漏發生1次，由于長時超溫原因泄漏發生3次，由于短時過熱原因泄漏發生0次，由于其他原因(包括鰭片拉裂、材質老化、腐蝕減薄等)泄漏發生3次，由于原材料缺陷原因泄漏發生3次，由于磨損減薄原因泄漏發生3次，由于焊接質量原因泄漏發生4次。2016—2019年連續4年的“四管”泄漏原因比較見圖5。

圖5 2016—2019年“四管”爆泄原因比較

由于各電廠嚴格按計劃對機組進行檢修，重點做好防磨防爆檢查和鍋爐定期檢驗，及時對鍋爐“四管”泄漏情況及防范措施和方法進行分析和總結，上海地區并網電廠“四管”泄漏現狀屬可控范圍，能較好保持機組設備的健康水平。

3 減少“四管”泄漏次數及反措

3.1 加強監督管理，做好鍋爐“四管”檢查工作

(1)水冷壁吹灰器附近區域。由于吹灰器卡澀或吹灰蒸汽中含有水分，導致水冷壁爆管的案例越來越多。停爐檢修加強做好吹灰孔周圍水冷壁管防磨檢查工作，同時與熱控、電氣、發電部等相關專業對吹灰程控、報警進行一次討論、梳理。在此基礎上優化改進；

(2)省煤器煙氣走廊處磨損現象特別嚴重，必要時應加裝防磨罩；

(3)過熱器、再熱器高溫段的長時間超溫導致材質劣化，局部有漲粗現象。

3.2 加強焊接質量管理及倉庫原材料驗收

在機組正常運行中也存在因在機組安裝時錯用鋼材而引起的泄漏事故。對倉庫備品備件的合金材料及零部件在使用前，必須進行全部百分之百光譜分析，嚴防鋼材錯用、混用。對高溫緊固件備品，使用前除了進行光譜分析，還必須進行全部硬度復查和超聲檢測。對于異種鋼的焊接，應嚴格按照焊接工藝進行施焊，焊后應及時熱處理。

3.3 做好“四管”失效分析工作

對于電廠的爆管樣品，現場應保證樣品不被損壞，并及時委托相關科研單位進行失效分析，找出爆管的原因。明確責任，吸取教訓，并采取相應的改進措施。

3.4 加強受熱面的巡檢工作

機組正常運行時，巡檢和值班人員應加強巡檢，一旦發現異常情況，應及時停爐檢查，避免造成更大的損失，堅決杜絕帶壓堵漏現象。

4 結語

“四管”泄漏對發電鍋爐是一個致命的安全隱患，防止“四管”爆泄是經常性的工作，徹底杜絕“四管”泄漏是不可能實現的，只有根據其原因對泄漏進行預防。根據電廠的實際情況合理選擇預防方式，可以從經濟和效益兩方面綜合考慮。同時自上而下提高各級管理人員的責任心是防止“四管”泄漏的關鍵。發電鍋爐自安裝以后，其鍋爐設備是難于更改的，原有設備的缺陷不易被發現，只有結合現有設備的特點做好設備改進和檢修，及時消除設備缺陷才能保證鍋爐設備的安全可靠穩定運行。