火電廠屏式再熱器彎管泄漏分析

孫 越

(大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130012)

隨著火力發(fā)電技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，機組參數(shù)的不斷提升，受熱面管作為電站鍋爐中熱能轉(zhuǎn)換的重要部件其服役環(huán)境變得更加復雜和惡劣[1]。其中，受熱面高溫段管子內(nèi)壁承受高溫、高壓流動工質(zhì)的沖刷，外壁承受高溫煙氣的對流輻射傳熱，故成為泄漏事故的高發(fā)部位[2-3]。某電廠鍋爐型號為HG-420/13.7-YM3，爐膛寬度為9 580 mm，爐膛深度為9 580 mm，鍋爐主蒸汽壓力為16.8 MPa，溫度為540℃，再熱蒸汽壓力為3.17 MPa，溫度為536.86℃。屏式再熱器規(guī)格為Φ63 mm×4 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG和T91。

某日10時發(fā)現(xiàn)B側(cè)長伸縮式吹灰器(編號R3)處發(fā)出異響，檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐折煙角區(qū)域泄漏報警裝置發(fā)出報警信號，同時爐膛負壓、給水流量、蒸汽流量等參數(shù)處于正常波動范圍內(nèi)，因此確認鍋爐發(fā)生“四管”泄漏事故，泄漏“四管”位于B側(cè)鍋爐折煙角區(qū)域的屏式再熱器。為分析屏式再熱器泄漏的根本原因，本文對泄漏管子進行化學成分、力學性能、顯微組織研究，并提出相關(guān)建議，可供同類型機組參考借鑒。

1 試驗方法

為分析失效樣品顯微組織變化情況，本文采用現(xiàn)場顯微鏡PTI-2000對屏式再熱器取樣管進行金相檢驗，放大倍數(shù)為200×，金相檢驗時T91的腐蝕液為硝酸鹽酸水溶液，12C1MoVG的腐蝕液為4%的硝酸酒精溶液。

屏式再熱器化學成分分析采用MAXx07-F型臺式光譜儀，室溫拉伸試驗采用DNS300型電子萬能試驗機進行，取直管段制作縱向拉伸試樣，試樣長度為200 mm，截面規(guī)格為10 mm×4 mm，標距為100 mm，試驗溫度為24℃，拉伸速度為10 mm/min，同時采用THB-3000S型布氏硬度計對爆口附近位置進行布氏硬度測試，現(xiàn)場測厚儀型號為時代TT100，測厚精度為±0.1 mm。

2 試驗分析及其結(jié)果

2.1 現(xiàn)場宏觀檢查

冷卻停爐檢查發(fā)現(xiàn)，兩條存在泄漏點的屏式再熱器管位于從B側(cè)往A側(cè)數(shù)第4排外數(shù)第1根及第2根，泄漏位置及部位見圖1和圖2。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，1號彎管內(nèi)弧側(cè)、2號彎管外弧側(cè)均存在兩處泄漏點，并且1號彎管的防護瓦已經(jīng)吹損丟失。1號彎管整體失效圖如圖3所示，2號彎管整體失效圖如圖4所示，附近第4屏的屏式再熱器由于蒸汽泄漏導致輕微吹損，損傷形貌如圖5所示。

圖1 泄漏位置宏觀圖

圖2 泄漏部位宏觀圖

圖3 1號彎管內(nèi)弧泄漏點圖片

圖4 2號彎管外弧泄漏點圖片

圖5 第4屏蒸汽吹損損傷圖

現(xiàn)場對泄漏點附近管子進行壁厚測量，發(fā)現(xiàn)未吹損部位未發(fā)現(xiàn)明顯減薄，爆口附近管壁減薄明顯，測厚數(shù)據(jù)見表1。觀察管子宏觀形貌，失效部位屏式再熱器未出現(xiàn)明顯的脹粗現(xiàn)象，同時爆口形貌不符合長時過熱及短時過熱爆口特征，爆口周圍不存在裂紋性質(zhì)缺陷，在宏觀檢查時并未發(fā)現(xiàn)管子存在原始缺陷。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，泄漏的2號管存在出列變形，現(xiàn)場實際測量2號管出列30 mm，具體情況如圖6所示。現(xiàn)場檢查泄漏管子附近的吹灰器區(qū)域管屏及爆口相鄰管屏的管壁，發(fā)現(xiàn)無明顯吹損現(xiàn)象，因此本次失效與吹灰器吹損無關(guān)。

表1 屏式再熱器管現(xiàn)場測厚數(shù)據(jù) mm

圖6 存在出列的2號管照片

2.2 化學成分及力學性能分析

對失效樣品取樣進行化學成分分析，結(jié)果顯示1號化學成分符合ASME SA-213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》標準要求，2號管子化學成分符合GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準要求，具體化學成分如表2所示。

表2 材料化學成分 wt%

力學性能測試結(jié)果如表3所示。1號鋼管母材的抗拉強度和斷后伸長率均符合ASME SA-213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》的標準要求，2號鋼管抗拉強度和斷后伸長率均符合GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準要求。對相應直管段進行布氏硬度測試，硬度平均值均符合標準DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》附錄C要求。

表3 力學性能測試結(jié)果

2.3 金相檢查

采用便攜式金相顯微鏡對屏式再熱器進行爆口附近管樣金相組織分析放大倍數(shù)為200倍，金相圖片如圖7和圖8所示。

圖7 1號管爆口附近金相圖

圖8 2號管爆口附近金相圖

從金相組織可以看出，1號彎管金相組織為回火馬氏體+碳化物，馬氏體呈版條狀，形態(tài)清晰。2號彎管金相組織為珠光體+鐵素體，珠光體形態(tài)雖然已經(jīng)有所分散，但仍保留原來的珠光體區(qū)域。1號和2號彎管金相組織均符合標準要求，同時金相組織未見異常并且未出現(xiàn)過熱組織。查看當日爆口樣管壁溫測點及附近壁溫測點的溫度數(shù)據(jù)記錄，也未發(fā)現(xiàn)在運行過程中存在超溫現(xiàn)象，因此排除由于過熱造成本次爆管的可能性。

3 原因分析及討論

綜合理化及力學性能分析可知，1號管及2號管不存在材質(zhì)劣化現(xiàn)象，同時機械性能及化學

成分符合相關(guān)標準要求。宏觀檢查時發(fā)現(xiàn)，2號管存在出列變形，由于管子的出列變形會阻擋煙氣流道，同時出列的管子將遭受煙氣的沖刷導致磨損加劇，造成管道減薄，減薄嚴重時將超限爆破，因此2號管的出列變形是本次屏式過熱器泄漏事故的直接原因。根據(jù)爆口位置形態(tài)可知，2號管中爆口3應為首爆口。2號管出列變形后，運行過程中受到煙氣的長期磨損，彎管外弧處的防護瓦逐漸減薄，當護瓦被吹損破壞后管壁將受到煙氣的直接沖刷，管壁不斷減薄當有效承載面積不足時首爆口3出現(xiàn)。爆口3泄漏的蒸汽將沖刷對側(cè)1號管的管壁，直至1號管被吹損泄漏，1號管中泄漏的蒸汽受到防護瓦卡扣的阻擋導致爆口2的產(chǎn)生，爆口1，2內(nèi)的蒸汽又再一次對2號管進行反吹，因此又形成了爆口4。爆口形成的過程中，2號管外防護瓦吹損丟失，因此初始爆口由于煙氣及飛灰磨損形成的初始磨損狀態(tài)被破壞。

管子的出列變形是本次事故的直接原因，因此實際檢修過程中要堅持逢停必檢的工作原則，必要時可根據(jù)實際情況制作卡具，防止管子變形出列，而出列變形的管子要及時恢復。運行過程中也應注意煤質(zhì)對管子磨損的影響，煤粉中的灰分增加將會導致煙氣中的含灰量增加，加劇管子的磨損程度。同時檢修過程中要注意檢查長伸縮式吹灰器的吹掃行程、吹灰器周圍管壁是否存在吹損現(xiàn)象，防止吹灰器故障對管壁進行吹損，導致機組非計劃停機確保機組運行的安全性及經(jīng)濟性。