火電機組金屬部件拉裂失效原因分析

王賢明，楊林豪，嚴小華

（1.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，浙江 杭州311121；2.浙江省能源集團有限公司 科技工程與服務產業分公司，浙江 杭州311121；3.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州311121）

0 引 言

2016 年至今，某集團擁有300 MW 及以上大型燃煤機組43 臺，超高壓機組4 臺，發電機組總裝機容量約26000 MW。 經過逐步優化電源結構，淘汰落后產能，截至2021 年底，該集團新增超臨界以上機組8 臺，關閉4 臺超高壓機組，發展5臺供背壓式供熱超高壓機組，總共達56 臺，總容量達30120 MW。 燃氣聯合循環機組共13 臺，總容量約3800 MW。

雖然大容量、高參數機組不斷增加，但在近年來深度調峰、能源雙控的政策下，機組利用小時數不斷下降。 頻繁啟動、快速升降負荷等導致火電機組運行工況惡劣，金屬部件拉裂問題日益增多，鍋爐“四管”爆泄事件頻繁發生，嚴重影響到發電機組安全、可靠運行。 據統計，2016 年至今，火電機組各類金屬部件拉裂引起失效事件高達64 臺次，年平均發生11 臺次，近兩年高達14 臺次。

1 拉裂造成機組非計劃停機

據統計，2016 年-2021 年，該集團火電機組發生的64 臺次（見圖1）金屬部件拉裂失效事件中，有22 臺次引起機組停機。 自2019 年以來，拉裂失效導致機組停機事件迅速增加，并成為機組非計劃停機的主要原因之一。

圖1 2016 年-2021 年火電機組拉裂失效事件統計

2 拉裂發生部位分析

拉裂的發生機理是當金屬結構件遇熱膨脹不暢或不協調，此時內應力大于材料的抗拉強度而導致材料失效。 但造成材料熱態內應力過大的具體原因，涉及設計、安裝、運行等各方面因素，拉裂發生部位也千差萬別，解決措施不能一概而論，需要對拉裂缺陷進行歸納分析，提出對應的解決措施［1-9］。

鍋爐金屬部件拉裂與結構因素密切相關（見表1），通過對發生部位的統計分析，有利于找到其規律與原因，有利于做好失效預警、重點排查、統籌改造等，減少失效事件的發生。

表1 金屬結構件拉裂發生部位的統計分類

2.1 附屬小口徑管的拉裂

根據6 年統計數據，小口徑管拉裂失效事件共發生12 臺次，此類拉裂主要發生在熱態位移量大的管道、集箱附屬接管，如主蒸汽管道、再熱熱段管道、高溫集箱、高溫導汽管、汽機三抽管路等附屬小口徑管，附屬小口徑管含疏水、放空氣、取樣等管路（見表2）。 拉裂發生部位主要在容易發生應力集中的管道變徑部位、加強管接座對接焊縫、管接座角焊縫等部位（見圖2 -圖4）。

表2 附屬小口徑管拉裂部位分類

圖2 管接座對接焊縫拉裂共7 臺次

圖3 管道變徑部位拉裂共2 臺次

圖4 管接座角焊縫拉裂共3 臺次

分析小口徑管拉裂具體原因：（1）小口徑管前部支架卡澀，管接座與固定支架間管道柔性不足（膨脹彎少、管壁厚、距離短）；（2）管路管徑突變、存在焊接殘余應力等造成的應力集中；（3）小口徑管路壁厚較大、鋼度過大等。

2.2 鍋爐水平煙道側包墻拉裂

鍋爐水平煙道與尾部煙道交接部位連接焊縫拉裂問題，在近年新投產機組上頻繁重復發生，共發生8 臺次。 主要發生在巴威公司的超（超）臨界機組鍋爐上，哈鍋的超超臨界機組鍋爐上也偶有發生。 由于受熱面結構原因，該部位的拉裂問題暫時無法有效解決。

在連接焊縫兩側的受熱面管上裝設溫度測點，根據測點數據可知，在機組冷態啟動過程中，尾部煙道側包墻管壁溫度與水平煙道側包墻管壁溫度最大差值約75 ℃（見圖5），待機組穩定運行后溫差消除。 該部位連接焊縫長度約10 m，最大自由脹差［10］9.4 mm，因設計及現場布置原因，該連接焊縫拉裂不可避免。 因該部位鍋爐受熱面管強度要求較高，連接焊縫兩側鰭片較厚、鋼性大，裂紋易向管壁較薄的受熱面擴展并最終導致失效。

圖5 DCS 畫面壁溫差值

2.3 二次風箱與水冷壁連接部位的拉裂

二次風箱與水冷壁連接部位拉裂，主要發生在水冷壁與二次風箱連接處的上、下轉角部位。根據6 年統計數據，該類拉裂共發生9 臺次，主要發生在四角切圓燃燒的上鍋爐型結構上，東鍋爐型也偶有發生（見圖6 -圖8）。

圖6 鍋爐側視圖中拉裂產生部位

圖7 鍋爐俯視截面圖拉裂產生部位

圖8 二次風箱拉裂導致水冷壁管爆泄

分析該類拉裂發生的主要原因：（1）二次風箱采用梳形板直接與水冷壁管子垂直角焊，該結構角焊縫存在應力集中；（2）機組正常運行期間，二次風箱殼體（約320 ℃）與水冷壁管（約440 ℃）有約120 ℃的溫差；（3）二次風箱整體結構高約12 m（以600 MW 超臨界機組為例），設計采用水冷壁附焊件與風箱法蘭連接的方式，利用法蘭上、下的長腰螺孔來消除脹差，但因安裝偏差、銹腐等原因易卡澀，在二次風箱上、下轉角部位角焊縫處拉裂，同時機組頻繁啟停、工況大幅變化等會加速裂紋擴展。

2.4 高溫集箱兩側管接座角焊縫拉裂

根據6 年統計數據，高溫集箱兩側管接座角焊縫拉裂共發生9 臺次（見圖9）。

圖9 某鍋爐高再進口集箱管接座拉裂

分析該類拉裂發生的主要原因：（1）老機組運行時間已經接近壽命期限，鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器進、出口集箱及接管材質老化，強度降低，且集箱兩側管接座角焊縫更易形成應力集中造成拉裂；（2）新建高參數、大容量機組設計階段，設計人員沒有充分考慮機組啟停期間受熱面的溫度偏差。如某鍋爐廠設計的超超臨界機組高溫再熱器進口集箱（約540 ℃）與頂棚（約420 ℃）壁溫溫差按120 ℃溫差設計，但根據實測數據，機組啟動過程中兩部分材料最大溫差達230 ℃，而大容量機組爐型寬度達34 m（以1000 MW 超超臨界機為例），集箱兩側接管柔性不足以抵消脹差，經過機組多次啟停后，高再進口集箱兩側管接座角焊縫出現大批量拉裂，由于再熱器受熱面管壁較薄，裂紋極易貫穿。

2.5 包墻下集箱箱間鰭片、管接座拉裂

尾部煙道包墻下集箱由多個集箱分段組成，各個分段通過管套焊接成一個整體，分段間的鰭片角焊縫、兩側管接座角焊縫極易發生拉裂（見圖10）。 根據6 年統計數據，該類拉裂共發生9臺次。 該類拉裂與機組運行時間及啟停次數相關，主要發生在巴威亞臨界鍋爐的前包墻、上鍋超臨界鍋爐的中隔墻與IHI亞臨界鍋爐側包墻。

圖10 集箱套管部位鰭片拉裂導致爆泄

分析該類拉裂發生的主要原因：（1）包墻下集箱分段間存在鰭片、讓管變形情況，各個分段間結構復雜，焊縫較多，該部位內應力較大；（2）汽水系統遞進加熱，各鰭片間存在溫差，經過機組多次啟、停循環后，分段集箱間鰭片在內應力較大的部位先發生開裂，最后裂紋擴展至管壁導致泄漏。

2.6 穿頂棚受熱面管子的拉裂

根據6 年統計數據，穿頂棚受熱面管發生鰭片角焊縫拉裂導致爆泄的有5 臺次。 發生的部位有：（1）前墻水冷壁、后包墻膜式受熱面管子十字交叉穿頂棚管，裂紋發生在鰭片端部的尖角及角焊縫缺陷處，進而擴展到受熱面管導致爆泄；（2）頂棚密封裝置直接與受熱面管子焊接的密封角焊縫拉裂，進而延伸貫穿管壁（見圖11）。

圖11 穿頂棚部位鰭片拉裂導致爆泄

分析該類拉裂發生的主要原因：頂棚受熱面管壁厚、鋼度大，熱膨脹不易受其他變形影響，爐頂密封結構復雜，穿越其間的受熱面管需有足夠的膨脹余量來應對與頂棚受熱面管的膨脹差，特別是膜片管屏本身是一個整體，當每一根穿越管子膨脹變形受限，管屏膜片脹差累積不能得到有效釋放，極易在鰭片角焊縫處發生拉裂，頂棚密封裝置角焊縫處也存在類似問題。

2.7 水冷壁進口集箱接管角焊縫、水冷壁下部綁帶角焊縫拉裂

兩類拉裂與某型號鍋爐具體設計結構有關。

水冷壁進口集箱接管角焊縫拉裂，發生在該型號鍋爐干渣機出渣裝置結構上，某公司兩臺機組均發生拉裂泄漏（見圖12）。

圖12 水冷壁進口集箱管座角焊縫拉裂

干渣機出渣擋板直接剛性焊接在水冷壁進口管組上。 干渣溫度較高、擋渣裝置靠近水冷壁進口的上部內襯板溫度接近灰渣溫度，而水冷壁進口集箱約為300 ℃，這兩個剛性部件溫差大、膨脹不協調，在應力集中的擋渣板垂直角焊縫、進口集箱管座角焊縫等處拉裂。

螺旋水冷壁在冷灰斗上部轉角部位綁帶角焊縫拉裂造成水冷壁泄漏（見圖13），發生1 臺次。經排查，該集團同類型超超臨界機組鍋爐相同部位均存在拉裂問題。 其產生的主要原因為結構復雜、焊縫交叉內應力較大。

圖13 水冷壁綁帶角焊縫的拉裂

2.8 施工原因造成的拉裂

近幾年因施工原因，造成金屬結構拉裂事件也時有發生，已發生3 起拉裂導致失效事件。 主要原因沒有按圖施工、安裝臨時固定點沒有及時去除、檢修結構沒有恢復等造成結構缺陷拉裂。如圖14 所示，頂棚管與側包墻分段焊縫沒有按圖紙要求分布，過于靠近頂棚出口集箱，經過機組啟停后，該管子在應力集中管座角焊縫處拉裂。 該類拉裂主要發生在近5 年投產的新建機組或檢修后的機組上。

圖14 沒有按圖施工頂棚集箱管座角焊縫拉裂

3 結論與建議

通過對某集團火電機組6 年內金屬結構拉裂導致失效案例歸納分析，匯總發生拉裂幾個主要原因：

（1）結構設計沒有全面考慮機組實際運行工況，特別是極端工況。

（2）發電行業現狀導致機組啟、停頻繁，大幅度負荷調整成為常態，金屬結構長期應力交變疲勞及短時應變過大。

（3）鍋爐設備、管道支吊系統失效，現場施工人員沒有按圖施工也是造成拉裂的原因之一。

綜上，當前火電機組需重點排查的部位及適用機組類型主要有：

（1）著重關注主蒸汽管道、再熱熱段管道、高溫集箱、高壓導汽管、汽輪機三抽管道等熱態位移量大的管道，排查疏水、放空氣、取樣、壓力測點等附屬小口徑管的管接座角焊縫、對接焊縫部位及管道異徑部位。 適用近5 年投產的新建機組。

（2）排查π型爐水平煙道與尾部煙道包墻受熱面交接部位鰭片。 適用巴威超臨界及以上鍋爐。

（3）排查四角切圓燃燒方式鍋爐的二次風箱、燃盡風箱與水冷壁相連的上、下轉角部位梳形板角焊縫。 適用上鍋亞臨界、超臨界及以上爐型，部分東鍋超超臨界鍋爐。

（4）排查高溫再熱器進、出口集箱兩側管接座角焊縫。 投產超過20 年的老機組，可結合檢修排查；投產3 ～5 年的新建機組，以抽查為主。

（5）排查尾部煙道包墻下集箱兩側管接座角焊縫、鰭片角焊縫。 適用巴威亞臨界鍋爐的前包墻、上鍋超臨界鍋爐的中隔墻與IHI亞臨界鍋爐的側包墻。

（6）排查前墻水冷壁、尾部煙道后包墻交叉穿越頂棚部位的鰭片角焊縫。 適用巴威超臨界鍋爐與東鍋超超臨界鍋爐。

（7）其他存在系統性結構拉裂的機組部件。

當前火電機組運行環境紛繁復雜，引發機組金屬結構失效因素日益增加。 為防止金屬失效導致鍋爐爐管爆泄、機組非停等不安全事件發生，需要把運行、檢修、檢測等方面工作做實做細；未雨綢繆，查清風險因素，從源頭預防和減少金屬失效事件的發生。