鍋爐后屏再熱器泄漏分析

陳華剛

(國能神皖池州發電有限責任公司，安徽 池州 247103)

0 引言

鍋爐再熱器一旦泄漏將造成重大經濟損失。因此通過對泄漏的再熱器管進行科學分析，制定可行的防范措施，將有利于機組的安全經濟運行[1]。造成鍋爐再熱器受熱面管泄漏失效的主要原因有磨損、過熱、應力、疲勞、腐蝕、焊接缺陷、材料原始缺陷等[2]。

1 設備概況

某電廠1號機組為320 MW亞臨界機組，配套哈爾濱鍋爐廠生產的HG-1025/17.5-YM30型一次中間再熱控制循環汽包鍋爐，采用平衡通風、四角切圓布置的直流式燃燒器，固態排渣，設計燃料為淮北混煤(劉橋礦)，2016年實施貧煤鍋爐改燒煙煤改造后100 %燃燒神華煙煤。該鍋爐再熱器主要由墻式輻射再熱器、后屏再熱器、末級再熱器三個部分組成。后屏再熱器布置在過熱器后屏和后水冷壁懸吊管之間，折焰角的上部，共30屏，以457.2 mm的橫向節距沿爐寬方向布置。每屏由14根U型管組成，最內圈底部出列設計為底部夾管，材質為12Cr1MoVG。管子規格為φ63 mm×4 mm，底部夾管上部規格為φ63 mm×4 mm，下部規格為φ63 mm×7 mm，變徑處為原始加工變徑臺階。該機組于2005年投產運行，至2017年后屏再熱器泄漏，共運行7.8萬h。再熱器進口蒸汽壓力3.437 MPa、出口蒸汽壓力3.282 MPa，進口蒸汽溫度316.1 ℃、出口蒸汽溫度540 ℃，屏式再熱器壁溫無超限報警。

2 再熱器泄漏情況

運行人員現場巡檢發現1號鍋爐前墻7樓下一層看火門處爐內存在異常聲音，經專業判斷為再熱器泄漏。檢查鍋爐排煙溫度、引風機電流、補水量、壁溫無明顯變化，現場泄漏聲音較小。維持鍋爐低負荷、低汽壓運行，申請機組調停。泄漏工況運行116 h。

停爐檢查發現，后屏再熱器從A側數第15屏有2根管發生泄漏，共有7個漏點；一根泄漏管為第15屏第14根夾管，A側有4個漏點；另一根泄漏管為第15屏外側數第7根，U型圈底部管有3個漏點；此外，第15屏第6，8根U型管底部吹損減薄未泄漏，其他管屏此區域無吹損痕跡。

3 再熱器泄漏原因分析

3.1 宏觀特征分析

第15屏第14根夾管上明顯可見3個漏點分布在焊縫上下，宏觀檢查焊縫外觀質量較好，檢查內焊縫無明顯未焊透缺陷。漏點處有3個黃銹，一個在焊縫上方，兩個在焊縫下方25 mm處，并且其外表面呈吹損特征。沿泄漏孔處軸向截開，可見變徑臺階處有貫穿裂紋。變徑臺階為原始加工的退刀槽，變徑臺階角度約為45°，變徑處內壁有氧化腐蝕現象。

第15屏外側數第7根U型圈底部管有3個漏點，漏點處有黃銹，一個漏點附近管材有部分熔融跡象，另一漏點部分邊緣有管材直接剝離痕跡，其他漏點呈現吹損減薄爆管特征。

檢查泄漏的再熱器管表面光滑，無明顯劃痕或其他加工缺陷。泄漏管在鍋爐受熱面由管卡固定，幾乎不存在振動及碰摩情況。

泄漏管子吹灰器吹掃面無明顯吹損痕跡，附近其他管屏也無吹損痕跡，可排除吹灰器吹損減薄導致爆管可能。

檢查泄漏點無典型超溫爆口特征，爆口內壁、外壁檢查存在輕微氧化現象。用游標卡測量，爐管壁厚為正公差，泄漏管子無明顯脹粗，管內無異物，檢查再熱器壁溫測點無超溫報警，可排除超溫導致爆管可能[3]。

3.2 管樣化學成分分析

使用德國SPECTRO MAXx光譜儀對兩根泄漏管進行光譜分析，檢測結果見表1。

表1 光譜分析結果(質量分數) 單位：%

分析表明，再熱器管材質材料主要成分均符合GB/T 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的12CrlMoVG對應化學成分的要求，與設計材質相符，可排除錯用管材引起爆管的可能。

3.3 機械性能檢測

將第14根夾管(在7 mm厚度側)沿管壁厚度方向剖成4 mm厚，第7根U型圈底部管保留原始內外壁，按照圖1加工機械性能試樣，在CSS-55000電子萬能試驗機上進行拉伸試驗。

圖1 拉伸試樣形狀和尺寸

經拉伸試驗，測得拉伸性能數據見表2、表3。

表2 第14根夾管拉伸試驗結果

表3 第7根U型圈底部管拉伸試驗結果

由表2可知，第14根夾管抗拉強度、屈服強度、斷后延長率全部符合GB/T 5310—2008對12Cr1MoVG的性能要求。

由表3可知，第7根U型圈底部管4號抗拉強度低于標準要求下限，可能與試樣長期運行、強度下降有關；其余指標全部符合GB/T 5310—2008對12Cr1MoVG的性能要求。

3.4 金相組織分析

將泄漏管試樣經鑲嵌→粗磨→細磨→拋光→腐蝕，在德國 Axio-observer AIM金相顯微鏡下觀察分析，結果表明非金屬氧化物夾雜小于1級。

在第14根夾管焊縫裂紋兩側取樣進行金相檢驗。內壁氧化皮絕大部分脫落；變徑臺階處存在裂紋，內壁側裂紋較寬，靠內壁裂紋內有氧化物，可知裂紋從內壁起裂[4]；晶粒度G大于等于6級；漏點近處金相組織為鐵素體+珠光體，組織球化2級。焊接接頭金相組織中沒有非正常組織和焊接缺陷。

在第7根U型圈底部管漏點中心取樣進行金相檢驗。晶粒度G大于等于5級，漏點近處金相組織為鐵素體+珠光體，組織球化2級。

通過宏觀檢查、化學成分分析、機械性能檢測、金相組織分析等綜合分析，判斷1號鍋爐后屏再熱器第15屏第14根夾管變徑臺階處裂紋為原始泄漏點，它泄漏后嗞破臨近的第7根U型圈底部管，該管被嗞破后又反嗞回來，所以兩根泄漏管均呈吹損特征。

第14根夾管變徑臺階處產生貫穿性裂紋的深層原因是該部件結構設計不合理，采用大角度變徑臺階結構導致該截面產生應力集中，使臺階根部易沉積腐蝕產物，應力集中區在內應力和殘余應力等綜合應力的作用下率先開裂，腐蝕產物加速裂紋擴展，最終導致裂紋貫穿泄漏。

4 處理及防范措施

4.1 更換泄漏及吹損超標管段

利用停爐機會，更換后屏再熱器第15屏泄漏及吹損超標的4根管段，分別為第15屏第6，7，8根U型圈底部管和第14根夾管，焊口射線檢測合格。

4.2 對泄漏區域全面進行檢查

對后屏再熱器其他29屏夾管變徑臺階位置有無裂紋進行射線檢測，檢查結果正常。對后屏再熱器區域管道外部宏觀檢查，未發現異常。考慮到組織老化程度、內壁氧化皮和第15屏第7根U型管迎煙氣側抗拉強度偏低等因素，后期利用機組檢修機會再進行割管檢查。

4.3 優化屏再夾管變徑臺階結構

針對后屏再熱器夾管變徑臺階結構存在的裂紋隱患，經研究分析，認為可以對該結構進行優化，采取的優化方式是直接采購φ63 mm×7 mm規格的夾管，在現場使用坡口機加工過渡坡口，消除夾管截面突變引起的應力集中。利用機組檢修機會，分批次對所有1，2號機組后屏再熱器所有夾管進行更換。

5 結束語

以上通過宏觀檢驗、化學成分分析、機械性能檢測、金相組織分析等多種檢測分析手段，對某電廠后屏再熱器泄漏原因進行了較全面的分析，判斷原始漏點為后屏再熱器第15屏第14根夾管變徑臺階處裂紋。該部件結構設計不合理，導致變徑臺階截面產生應力集中，在內應力和殘余應力等綜合應力的作用下開裂泄漏。結合現場實際，提出了優化變徑臺階的措施，利用機組檢修機會實施后，未再發生同位置泄漏事件，可為同類型機組的火電廠提供借鑒。