某超臨界機組鍋爐后屏過熱器爆管事故分析

衣 力

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036）

1 鍋爐概況

某電廠一臺600 MW機組鍋爐,投產于2006年12月,原設計參數為25.4 MPa,543 ℃,額定主蒸汽流量1 953 t/h。2014年9月12日,《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020）》的通知要求：到2020年,現役600 MW等級及以上機組的供電煤耗低于300 g/(kW.h),NOx排放濃度小于50 mg/Nm3。本臺鍋爐是上海鍋爐廠有限公司設計的第一批超臨界鍋爐,當時由于使用單位的特殊要求,將主蒸汽溫度設定在543 ℃,降低了整個機組的效率,且較主蒸汽溫度為571 ℃的發電機組,其單位發電煤耗較高。同時,當鍋爐低負荷運行時,無法投運SCR脫硝系統。所以,使用單位于2015年10月,對本臺鍋爐進行了提高主蒸汽出口溫度的改造,并同時增加主蒸汽流量,以增加機組銘牌出力。改造后機組的銘牌功率提高至650 MW,主蒸汽溫度從543 ℃提高到571 ℃,BMCR（鍋爐最大連續蒸發量）工況下主汽流量從1 953 t/h增加到2 068 t/h。

本次改造主要是對末級過熱器管排、末級過熱器集箱、主蒸汽管道等承壓部件及主蒸汽管道支吊架進行更換與調整,其余承壓部件未進行變動。2015年12月,改造結束,鍋爐點火調試完畢后,正常運行。

截至本次爆管事故發生時,累計運行時間接近10萬 h。

2 本次事故經過及現場檢查處理情況

2020年某日 19時20分,鍋爐點火啟動。翌日 9時7分,機組并網。10時15分,轉干態。同日10時30分,監盤發現后屏過熱器管壁溫度測點05-BATP441B442R442T偏高（最高602 ℃左右,與相鄰管壁溫度偏差180 ℃左右）,超過報警值（560 ℃）。管點對應分別為441B（后屏第15屏第3管壁溫度點）、442R（后屏第16屏第1管壁溫度點）、442T（后屏第18屏第1管壁溫度點）,見圖1。

圖1 溫度測點監盤圖

12時43分,管壁溫度點442T從580 ℃突升到609 ℃后,突降到465 ℃,恢復正常。12時50分左右,相關技術人員到控制室商量。CRT（電廠控制系統顯示屏）顯示超溫管為第#1管、第#3管,認為#1管、#3管在管屏外圈,此管管材為TP347H（最高允許工作溫度可達660 ℃）,鑒于剛轉為干態及超溫實際情況,爐內煙溫較高,管壁溫度較汽溫相應增加50 ℃左右,因此確定該點溫度按照不超610 ℃控制,商議可以適當加大減溫水量,降低后屏入口溫度,進行低參數大流量變負荷振蕩沖洗。13時20分,經參數振蕩沖洗后,441B從590 ℃突升到600 ℃后,突降到445 ℃,恢復正常；管壁溫度442R多次振蕩后沒有突變現象,但有緩慢上升的趨勢,最高到607 ℃,繼續觀察并進行參數振蕩沖洗。

16時33分,交接班后第1次振蕩,屏過管壁溫度442R基本無變化。17時42分,第2次振蕩結束,發現屏過管壁溫度442R突降至正常值,就地檢查,發現鍋爐12樓西側聲音偏大,汽水偏差有變大趨勢。匯報值長,與檢修、點檢聯合判斷后屏442R該超溫點管爆漏。監盤大屏見圖2。21時15分,鍋爐主燃料跳閘（MFT）。

圖2 監盤大屏

停爐冷卻后進爐膛檢查發現,后屏第16屏（對應管壁溫點442R屏）中間管（#21管）爆漏,管材為SA213-T23,規格為φ44.5 mm×7.14 mm。并非CRT上對應442R的第1管壁溫度點,因此確認壁溫點編制方向與實際認為的不一致。后屏第16屏爆口在出口段U型彎頭向上5 000 mm位置,爆口呈喇叭狀,管口折彎,破口邊緣減薄明顯,管折彎后的開口最長處約110 mm,寬度方向約70 mm。爆口上下管子外壁無長期過熱跡象,爆口部位有局部豎向微裂紋,管無明顯脹粗,爆漏后在強大沖擊力下,出口端穿過了末級再熱器管排,整圈#21管甩出折彎,爆口對向B側起第11排管屏,高再管B側起第10屏北側起第1根管～第3根管、第5根管～第10根管均有不同程度吹損,其中第2根管、第3根管伴有砸傷,管材為TP304H,規格為φ63.5 mm×4.23 mm；高再管B側起第11屏北側起第5根管～第18根管均有不同程度吹損,其中第14根管～第16根管吹損嚴重,管材為SA213-T91,規格為φ63.5 mm×3.76 mm。入口端穿過后屏第17屏,該爆管屏內2～7管圈出列嚴重。管屏損傷情況見圖3、圖4,爆口情況見圖5。

圖3 管屏損傷情況

圖4 爆管出列情況

圖5 爆口圖

由于計劃于2021年2月對后屏進行改造,本次搶修如恢復整個U型耗時會比較長,首先下部小R彎頭彎制時間很長,其次靠近頂棚處接口管彎曲,恢復困難,因此考慮臨時處理。處理方案有2個：1）在爐頂大罩內將進出口管口悶堵,爐內管割除,這樣影響較小,工作快捷,但是由于大罩內溫度高,冷卻速度慢,要等很長時間才能進入大罩內焊接悶頭,此方案不合適；2）在爐內上部短接,彎制彎頭拼接,可能對管流量有一些影響,由于管子數量多,影響可以忽略。因此為搶時間,采取在爐內短接方案。將后屏A-B第16屏最內圈更換為短接U型,短接U型的材質為TP347H（事先準備好的彎管）,管規格為φ47.6 mm×8.74 mm。此U型管拼接后共5個焊口。

現場搶修焊接工作全部完成后,對全部后屏管進行氧化皮拍片檢查,未發現有大量堆積,只有B側第8屏北側起第19根管有少量氧化皮堆積。

3 異常原因分析

本次后屏過熱器爆管的管子材質為SA213-T23,規格為φ44.5 mm×7.14 mm。ASME SA-213T23鋼是日本于20世紀80年代研制的一種用于超臨界發電機組的新型低合金高強度耐熱鋼[1]。該鋼是在2.25Cr-1Mo鋼的基礎上,加鎢、減鉬、降低碳含量,同時加入了少量的鈮、釩、硼元素,使鋼的持久強度大幅度提高,在550～625 ℃溫度范圍內許用應力約是2.25Cr-1Mo鋼的1.8倍,幾乎可與 T91鋼相媲美,其焊接性能優異,不需焊前預熱和焊后熱處理[2,3]。

從近20年的使用情況看,該材料在高參數情況下易被蒸汽氧化以及焊接接頭易產生裂紋,現已逐步退出高參數鍋爐選材范圍。有研究表明,從微觀尺度上看,T23鋼氧化皮分層現象極為顯著,層間存在大量空洞、微裂紋和缺陷,其應用于亞臨界機組并導致的堵塞爆管事故極多。仍然有超臨界機組的高溫受熱面的入口段使用T23鋼,從其氧化皮結構和剝落特征來看,T23鋼氧化皮剝落的隱患始終是存在的,幾乎不存在穩定期[4]。

觀察爆口的形貌,爆管部位管子爆口張開較大,且呈喇叭狀,破口邊緣銳利、兩側壁厚明顯減薄。尺寸：長110 mm×寬70 mm。邊緣減薄較多,內壁受蒸汽沖刷表面光滑,爆口外壁存在多處縱向蠕變裂紋,短時過熱爆管特征明顯。

對該管取樣進行化學元素成分分析,見表1,可以看出,其化學元素成分與含量符合ASME SA213M標準要求。

表1 化學成分測試結果 %

對該管爆口附近（距爆口上、下邊緣50 mm處,分別編號為測點1、測點2）進行外觀尺寸測量,見表2,可以看出,該管子正常部位脹粗量正常,壁厚減薄量在允許范圍內。

表2 外觀尺寸測量

后屏過熱器在正常運行工況下,后屏進口汽溫小于450 ℃,經過吸熱后一般到510 ℃左右,考慮到高溫煙氣溫度,再增加60 ℃,爐內管壁溫大致推算為570 ℃,也在材料的允許溫度范圍內,一般不會引起爆管。要達到類似本次的超溫爆管,大致推算管壁溫度要超過625 ℃。另外結合爆口宏觀形貌分析,該根后屏過熱器管爆口呈現比較典型的短時過熱爆管特征,系超溫幅度大導致。

從CRT看,從啟動轉干態后,該點05-BATP442R溫度一直較高,超過報警值（560 ℃）,后緩慢上升到超過600 ℃,爐內管壁溫度將超過650 ℃,大大超過T23鋼溫度允許值。

超溫應該與機組啟動初期該管屏內蒸汽汽流不暢受堵塞有關。而堵塞可能與內部異物、水塞或內壁剝落氧化皮等因素有關。

研究表明：T23鋼制過熱器管在570 ℃、25.4 MPa下運行10 874 h后內壁氧化層厚已達0.12～0.26 mm,脫落掉的氧化層厚度為0.09～0.12 mm,且同一根管樣在不同位置內壁氧化層厚度存在較大的差異。T23鋼過熱器管內壁氧化皮脫落形式有大片狀和橢圓狀,氧化皮形成鼓包而脫落,在管內壁留下橢圓狀的脫離斑痕,鼓包一般呈橢圓狀,焊接接頭形狀變化處的氧化皮易呈鱗片狀脫落[5]。

從本次爆管來看,初步判定由管內氧化皮堵塞引起。主要原因如下：

1）啟動轉干態后,發現有3根管管壁溫度偏高,分別是05-BA-TP441B442R442T,經過變負荷參數振蕩后有2根管管壁溫度下降到正常值,分別是05-BA-TP441B442T,應該是內部氧化皮脫落堵塞后經過參數振蕩沖通。

2）對于超臨界鍋爐,氧化皮的生成和剝落堆積是不可避免的,且具有隨機性。脫落的T23鋼氧化皮呈片狀,當低負荷汽流量小時不一定能將其帶走,就有可能堆積在下部彎頭區域導致氣流不通,引起管壁超溫。自機組投產以來,也不可避免地發生多次因氧化皮剝落堆積造成爐管爆管的停爐事件。

3）該根爆漏管內壁有較厚氧化皮,并有局部脫落的現象,見圖6。

圖6 爆漏管內壁氧化皮

4）機組在本次調停時進行了停機不停爐試驗,在停機過程中因主汽壓力設定值與實際壓力偏差,發電機逆功率跳閘聯跳汽機,鍋爐MFT動作。跳機后鍋爐馬上又點火繼續進行試驗,導致主汽溫度變化速率達到近10 ℃/min,如圖7所示,遠遠超過了溫度變化速率標準（3 ℃/min）,可能會引起氧化皮疏松脫落。

圖7 主蒸汽溫度曲線

5）停機后,對后屏進行內部彎頭氧化皮堆積檢測,未發現有堆積現象。在機組啟動階段,有可能會引起疏松的氧化皮脫落（搶修結束后,對后屏檢查,發現個別管內有氧化皮脫落現象,見圖8）。

圖8 后屏B5-21彎頭氧化皮堆積底片

6）高再換管割下的管內有氧化皮脫落的現象,并且內壁氧化皮疏松,有隨機脫落的可能,見圖9。

圖9 高再換管內壁氧化皮

由此說明氧化皮脫落存在隨機性。

鑒于以上情況分析,本次爆管是由氧化皮堆積引起短期超溫的可能性比較大。

4 暴露的問題

1）機組調停時進行了停機不停爐試驗,導致主汽溫度變化速率達到近10 ℃/min,超過防氧化皮防治措施中的要求。

2）后屏壁溫測點#1實際設置部位與原始設置不一致,以為該壁溫點05-BA-TP442R對應管材為TP347H,因此控制溫度定為610 ℃,這加速了T23鋼管爆管進程。如果當時確認是SA213-T23管,則會將壁溫控制在575～580 ℃范圍內。由于剛轉干態,投脫硝系統,溫度要往下降也困難,升負荷更不可能,可能會在580 ℃左右運行較長一段時間,除非氧化皮沖通或者停爐后處理,否則也會導致超溫爆管。

3）鍋爐增容改造后,對于后屏過熱器來說,管內壓力、煙氣溫度及進汽溫度均有提高,屏過又處在爐膛高煙溫區域,因此運行環境更加惡劣,易生成氧化皮。后屏過熱器受熱面管子的規格、材質、設計壁溫見表3。

表3 后屏過熱器設計資料

5 預防措施

1）按照鍋爐廠提供的鍋爐改造方案熱力計算匯總表(見表4),后屏過熱器出口汽溫改為511 ℃,需加強對后屏汽溫的控制,適當提高一級減溫水比例,盡量保證不超溫；

表4 熱力計算匯總表 ℃

2）鍋爐升級改造后,實際提高了各受熱面的進口溫度,壓力和煙溫都有提高。應盡快進行管材升級改造,減少氧化皮產生、剝落對鍋爐的風險；

3）核對受熱面壁溫測點,與實際位置一致,并在受熱面布置圖上正確標注；

4）梳理并統計后屏管壁溫度,對運行中管壁溫度長期超過530 ℃的SA213-T23管子,檢修時對其高溫段進行割管取樣分析,檢測高溫力學性能、金相組織等材料劣化狀況；

5）停爐檢修時,對受熱面管下彎頭部位進行氧化皮堆積檢測抽查,有條件時,對受熱面管內壁進行氧化皮厚度測量,監控內壁氧化皮產生和脫落情況；

6）建議對鍋爐運行規程進行修訂,增加如下內容：調停機組停運時,原則上不安排易引起氧化皮脫落的試驗。