660 MW超超臨界機組鍋爐屏式過熱器爆管原因探究

王天龍，朱立平，張夜雨，段海洲，張向群

(1.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.中國能源工程股份有限公司，北京 100037)

鍋爐作為火電廠的三大主要設備之一，一旦發生故障就會影響整個機組的生產運行[1]。鍋爐爆管是指在某些因素的作用下蒸汽鍋爐的水或蒸汽管道突然爆破，爆管發生時會有較為明顯的爆破聲音和噴汽聲音，并且伴隨產生蒸汽壓力降低及水位下降等現象[2]。鍋爐爆管具有很大的危險性，爆管發生后非常容易擴散甚至引發周圍大面積管道發生爆破[3]。隨著節能減排要求越來越高，大容量、高參數的超超臨界機組越來越多。超超臨界機組因其設計、制造、安裝等原因導致爆管事故頻發[4]。因此探究爆管原因能夠更好防止爆管發生，進而提高設備安全運行的可靠性，延長設備的使用壽命[5]。對于爆管原因進行詳實的探究，可以為相似類型缺陷分析提供借鑒。

1 主機參數

本期660 MW超超臨界燃煤火電廠配備了2臺由東方鍋爐股份有限公司生產的DG2060/29.4-Ⅱ13型鍋爐。鍋爐采用Π型露天布置，為高效超超臨界參數、單爐膛、一次再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構變壓運行直流爐。1號鍋爐主要參數見表1。

表1 1號鍋爐主要參數

2 鍋爐爆管狀況

由于線路失電事件時常發生，1號鍋爐2020年1月22日15：11由于電網系統突然震蕩，導致送風機A、B跳閘，觸發鍋爐主保護MFT動作，機組停機。停爐保護發生前，機組負荷530 MW、過熱蒸汽溫度585 ℃、過熱蒸汽壓力24.2 MPa、再熱蒸汽溫度581 ℃、再熱蒸汽壓力3.9 MPa。當日19：22巡檢反饋爐內有異音，待鍋爐冷卻后進入爐膛檢查發現屏式過熱器爆管。自2019年12月8日機組進入整套啟動開始至本次停爐時已經累計運行約1000 h，啟停15次。由于當地電網不穩定且容量較小，無法滿足高負荷需求，機組尚未進行可靠性運行。

輻射式屏式過熱器布置在爐膛上部區域(如圖1標注10所示)，沿爐深方向布置了2排，每一排管屏沿爐寬方向布置若干片屏。屏式過熱器管屏入口段與出口段采用不同的管子壁厚，內外圈管采用不同的管子規格。屏式過熱器蛇形管均由集箱承重并由集箱吊桿傳至大板梁上。

圖1 汽水系統流程

圖2為現場拍攝的爆口照片，爆口所在位置為第9號屏第4根管，可見爆口所在管道有明顯膨脹現象，其下方管道(第9號屏第5根管)有吹損痕跡。屏式過熱器管材為S30432，出口處采用SA213-T92材質。

圖2 現場爆口

3 運行情況

3.1 爆管確認

鍋爐“四管”是指過熱器、再熱器、省煤器和水冷壁，包括鍋爐所有受熱面[6]。“四管”泄漏后可能會出現噴汽、水聲或爆炸聲，給水流量增多，蒸汽壓力或溫度下降，爐膛負壓波動至正壓，排煙溫度降低等現象[7]。鍋爐吹灰噪聲頻率為850～3000 Hz，可觸發鍋爐“四管”泄漏報警[8]，當吹灰器停止吹灰后報警就會消失。報警值量程為0～100%，超過60%就會觸發報警，為防止鍋爐吹灰頻繁觸發泄漏警報，現場設置為吹灰時不觸發報警。如圖3所示，2020年1月22日12：54鍋爐開始吹灰，此時“四管”泄漏報警值超過60%隨即開始發出報警，但吹灰器退出后報警并未消除仍處于60%～80%，因此可判斷在此時間段內發生爆管或是爆口惡化。

(a)正常狀態(b)爆管狀態圖3 鍋爐吹灰時“四管”泄漏報警

通過圖4對比可得出，從14：30開始，鍋爐給水量較正常情況有增多趨勢，增量約40 t/h，其他主要參數變化不明顯。由于屏式過熱器爆口較小，所以蒸汽漏量不會很大，此方法可作為輔助判斷方法。

(a)正常狀態(b)爆管狀態圖4 鍋爐主要參數

3.2 超溫情況

過熱器和再熱器是超超臨界鍋爐的主要受熱面，因其設計參數高，已經接近管材的許用極限溫度，并且周圍環境為高溫煙氣，極易發生局部超溫甚至鍋爐爆管[9]。表2為屏式過熱器出口受熱面壁溫報警值，結合近1000 h運行的參數曲線未發現超溫情況。

表2 屏式過熱器出口受熱面壁溫報警值

3.3 水塞情況

水塞大多數情況發生在鍋爐點火初始的升溫升壓階段或者機組帶20%負荷階段。鍋爐發生水塞易引發嚴重后果，輕則引起主蒸汽溫度大幅降低甚至危害汽輪機運行，重則可能導致過熱器內的蒸汽停滯進而管道超溫引發爆管。圖5為爆管發生前的鍋爐點火至帶30%負荷區間的爐膛溫度，由圖5可見，曲線4代表的煙氣溫度最高為660 ℃，而表1中30%負荷對應的壁溫溫度上限為645 ℃，所以排除水塞爆管可能。

圖5 爐膛溫度

4 試驗結果

4.1 宏觀形貌

圖6為爆口樣管和吹損樣管宏觀外貌(左為爆口樣管，右為吹損樣管)，由圖6可以看出，爆口類似魚口形狀且存在膨脹情況，其長度為130 mm，寬度為40 mm。爆口上側沒有碰撞跡象，下側則能明顯觀察出碰撞痕跡且邊緣被擠扁。吹損的樣管除存在吹損痕跡外沒有膨脹現象且外觀無其他異常現象。

圖6 樣管宏觀外貌

圖7為爆口樣管切開照片，由圖7可以看出，爆口蒸汽流向的上側有一淺一深2處碰撞凹坑，凹坑形狀為扁長圓弧狀。

圖7 爆口樣管內部

4.2 幾何尺寸

經過測量得出爆口樣管的爆口周長為149 mm，相對于正常管材周長141.53 mm脹粗5.45%，不符合DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》規定：熱軋管不大于公稱壁厚5%，冷軋管大于公稱壁厚4%的要求。

經金相測得爆口的最薄處為6.5 mm，相較于現場標準壁厚10.5 mm減薄38%，不符合標準中要求壁厚減薄不超過20%的要求。

4.3 化學成分

表3為爆口管材化學成分分析結果，符合標準對于SA-213T92的要求。

表3 化學成分分析結果 單位：wt%

4.4 室溫拉伸

將樣管分成爐前進口側、爐前出口側、爐后進口側及爐后出口側4個拉伸試樣，2根樣管共8個試樣進行室溫拉伸試驗。表4為拉伸結果，其中2根樣管的拉伸結果符合SA-213T92要求。但爆口樣管的室溫抗拉強度和規定塑性延伸強度結果低于吹損樣管。

表4 室溫拉伸試驗結果

4.5 金相組織

圖8為金相組織觀察取材的位置。將爆口管材軸向切開，使得完整爆口所處其中一側。

圖8 金相組織取材位置

圖9—圖14為金相組織形貌。宏觀形貌顯示爆口內的碰撞變形為圓弧形狀，金相組織中則可以發現形變流線。管材內壁包括爆口側和另一側均未發現有明顯氧化層。爆口處有大量沿晶蠕變裂紋，外壁側的蠕變裂紋比內壁側多且爆口周圍組織中也能觀察到蠕變裂紋與孔洞。

圖9 爆口中部碰撞變形區域

圖10 爆口中部未變形區域

(a)變形區域(b)未變形區域圖11 爆口中部附近顯微組織形貌

(a)顯微組織 (b)外壁區域 (c)內壁區域圖12 爆口中部另一側金相組織形貌

圖13 爆口邊緣金相組織形貌

(a)顯微組織 (b)內壁區域 (c)外壁區域圖14 爆口邊緣另一側金相組織形貌

4.6 維氏硬度測試

對樣管進行了持續12 s的98N維氏硬度測試，測得數據見表5。

由表5可知，由于碰撞變形使得彎管凹坑處硬度不符合SA-213T92標準的要求，其他各樣管測試結果均符合要求。爆口樣管硬度測試結果符合標準要求，但爆口未變形區域接近要求下限且爆口外壁低于內壁硬度，這是因為外壁的蠕變裂紋造成的。雖然爆口變形處硬度高于其他樣管數據，但推測其原因是變形處硬化導致。

表5 維氏硬度測試結果 單位：HV

4.7 掃描電鏡觀察

圖15為掃描電鏡下的爆口上游凹坑處形貌，可以看出其內壁由上至下的方向性。圖16為爆口斷面在電鏡下的形貌。爆口顯現出沿晶開裂，外表覆有一層氧化物，爆口未變形處內壁未發現摩擦痕跡，而變形處內壁則發現呈方向性的摩擦痕跡。

圖15 爆口上游凹坑處電鏡下組織形貌(右上為凹坑處內壁區域，下為未磕碰區域)

(a)爆口碰撞處及內壁區域 (b)爆口未碰撞區域圖16 爆口電鏡下組織形貌

5 結語

通過運行情況分析得出運行過程中不存在超溫和水塞情況，通過試驗結果可以發現爆口處存在沿晶蠕變裂紋且附近組織中也能觀察到蠕變孔洞和蠕變裂紋，因此可以得出此次鍋爐爆管屬于過熱蠕變失效類型。爆管成因為管材內部存在鋼球狀異物，在蒸汽作用下不斷摩擦內表面并且堵塞管材，使得蒸汽流量不足，最終導致過熱蠕變爆管。為避免此類事故再次發生，建議全面檢查屏式過熱器管材是否存在管徑脹粗或鼓包等情況，并對過熱器及再熱器集箱進行內部清潔。