某660 MW超臨界鍋爐過熱器懸吊管爆裂原因

王 坤

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司 西北電力試驗研究院, 西安 710021)

在水管鍋爐中,過熱器管是重要的受壓元件之一,可將一定壓力下的飽和蒸汽加熱干燥成相應壓力下的過熱蒸汽。隨著電力工業的發展,對過熱蒸汽參數(溫度、壓力等)的要求不斷提高,過熱器管等受熱面管還受到煙氣和灰分沖刷磨損、高溫腐蝕、蒸汽氧化等影響,運行條件非常惡劣,由此造成的管道爆裂已成為電廠非計劃停運的最普遍、最常見形式,嚴重影響了機組的安全性和經濟性[1-7]。某火電廠3號機組鍋爐為660 MW超臨界直流鍋爐,該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力、變壓運行、單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊、緊身封閉布置的Π型鍋爐,3號機組于2016年12月投產,截至過熱器懸吊管泄漏停機,該機組已累計運行約3.9萬h。

泄漏點位于鍋爐電梯8層標高約63 m處,位置如圖1所示,兩根泄漏管現場照片如圖2所示。經問詢得知,該機組最近一次檢修時間為2022年2～3月,檢修期間對部分受熱面管進行了更換,更換范圍包括水平煙道高溫再熱器管、尾部煙道低溫再熱器管以及爆管涉及的中隔墻過熱器懸吊管。爆管事件發生日期距設備啟動僅40多天。為查找管道爆裂原因,筆者采用一系列理化檢驗方法對過熱器懸吊管爆裂原因進行分析,并提出改進建議,以避免類似事故再次發生。

圖1 泄漏點位置示意

圖2 兩根泄漏管現場照片

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

現場檢查發現,第27排管爆口1的面積較小且形狀細長,外壁存在較厚的呈縱向開裂的黑色氧化皮,外表面較臨近管顏色更深,并且未見磨損和機械損傷現象;第28排管爆口2位置的管壁及防磨瓦吹損嚴重,管壁未見明顯脹粗;第27排管爆口3位置管壁存在明顯的吹損減薄痕跡,實測厚度約為4 mm,該處脹粗明顯,爆口3邊緣鋒利且爆口下邊緣外翻,該處爆口位置下方的U型管卡以及附近防磨瓦均存在吹損痕跡。此外,兩根管之間的定位板同樣存在沖刷吹損痕跡,靠爐前側已被吹損至穿透。兩根泄漏管現場相對位置及爆口宏觀形貌如圖3～5所示,定位板吹損沖刷痕跡如圖6所示。

圖4 第27排管爆口宏觀形貌

圖5 第28排管爆口宏觀形貌

圖6 定位板吹損沖刷痕跡

根據DL/T 438—2016 《火力發電廠金屬技術監督規程》,在役機組鍋爐受熱面管壁厚應滿足GB/T 16507.4—2013 《水管鍋爐 第4部分:受壓原件強度計算》中的管道最小需要厚度,再根據標準GB/T 16507.4—2013對過熱器懸吊管最小需要厚度進行計算,計算公式如式(1),(2)所示。

δmin=δt+C1

(1)

(2)

式中:δmin為懸吊管最小需要厚度;δt為計算厚度;C1為腐蝕裕量;p為計算壓力;D0為管子外徑;φmin為最小減弱系數;[σ]為材料許用應力。

查閱鍋爐廠設計資料得知,該過熱器懸吊管相關計算參數為:p=29 MPa,φmin=1,[σ]=127.4 MPa,C1=1 mm。通過計算可得δmin≈6.21 mm。即當懸吊管受到泄漏蒸汽或高溫煙氣持續沖刷后,管壁減薄至最小需要厚度時,會因強度不足而發生爆管事故。

現場還對兩根泄漏管爆口的臨近管材進行了硬度測試,第27排管爆口1上方約8 m處的母材實測硬度為115～120 HB,低于標準下限(DL/T 438—2016標準規定15CrMoG鋼的硬度為125～170 HB),向下約3 m、位于低溫再熱器第1層至第2層之間的母材實測硬度為130～140 HB,符合標準要求;第28排管爆口2的臨近母材實測硬度為140～160 HB,符合標準要求。

1.2 化學成分分析

對該過熱器懸吊管泄漏管進行取樣,取樣部位為低溫再熱器第1層上方靠爐前側左數第27排和第28排過熱器懸吊管爆口上方附近母材處。管樣編號、規格(外徑×壁厚)、材料、位置如表1所示。

表1 管樣編號、規格、材料、位置

參照GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》,使用光譜分析儀對1號、2號試樣進行化學成分分析,結果如表2所示。由表2可知:1號、2號試樣的化學成分均符合標準要求。

表2 1號、2號試樣的化學成分分析結果 %

1.3 力學性能測試

依照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第一部分:室溫試驗方法》和GB/T 5310—2017,對1號、2號試樣爆口上方母材制取拉伸試樣,并對試樣的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率等3個力學性能進行試驗,取樣部位為爆口上方臨近母材處(見圖7),室溫拉伸試驗結果如表3所示。結果表明:1號拉伸試樣的抗拉強度和斷后伸長率不符合GB 5310—2017標準要求,屈服強度滿足該標準要求;2號拉伸試樣的3個室溫力學性能均滿足該標準要求。

表3 1號、2號試樣的室溫拉伸試驗結果

圖7 拉伸試樣取樣位置

1.4 布氏硬度測試

對1號、2號試樣進行布氏硬度測試,結果如表4所示。1號試樣實測硬度低于DL/T 438—2016標準要求下限,2號試樣實測硬度符合該標準要求。

表4 1號、2號試樣的硬度測試結果 HB

1.5 金相檢驗

在爆裂管上制取金相試樣,使用光學顯微鏡對試樣橫截面進行觀察。1號試樣(27排)爆口處及爆口對側母材的顯微組織均為鐵素體+碳化物,珠光體區域及形態基本消失,碳化物在晶界呈鏈狀、球狀分布,珠光體球化級別均為4.5級,晶粒度均為7～8級,1號試樣爆口處顯微組織形貌如圖8所示,1號試樣爆口對側顯微組織形貌如圖9所示。2號試樣(28排)爆口處及爆口對側母材的顯微組織均為鐵素體+珠光體,珠光體球化級別均為1.5級,晶粒度均為7級[8-9],2號試樣爆口處顯微組織形貌如圖10所示,2號試樣爆口對側顯微組織形貌如圖11所示,2號試樣的顯微組織未見異常。

圖8 1號試樣爆口處顯微組織形貌

圖9 1號試樣爆口對側顯微組織形貌

圖10 2號試樣爆口處顯微組織形貌

圖11 2號試樣爆口對側顯微組織形貌

2 綜合分析

根據現場兩根泄漏管的相對位置、室溫力學性能、爆口形貌、爆口附近母材實測硬度、顯微組織以及U型管卡、防磨瓦和定位板等部件沖刷吹損痕跡的綜合分析認為,兩根泄漏過熱器懸吊管爆口的形成過程如下所述。

第27排管爆口及臨近母材的宏觀形貌和顯微組織符合長時過熱特征,而第28排管爆口附近管材各項性能均合格,因此推斷第27排管爆口1為初始泄漏位置。部分泄漏蒸汽將爐右方向正對的第28排管吹漏形成爆口2,爆口2泄漏的蒸汽再向爐左方向一定范圍內吹掃,觀察定位板沖刷吹損痕跡,可見爆口2部分泄漏蒸汽吹出的方向如圖6箭頭所示,泄漏蒸汽受定位板阻擋反射后,繼續向圖4所示第27排管位置a、b處箭頭所示的方向吹掃,將這幾處位置的管壁、U型管卡以及附近防磨瓦吹損,該處管壁不斷減薄,其中位置a處管壁吹損減薄最嚴重,受內部介質壓力影響,該處管道不斷脹粗,當管壁減薄至強度無法承受內部介質壓力時,管道最終爆破形成爆口3。圖4位置c、d處損傷為爆口1泄漏蒸汽吹損導致。

在制取金相試樣時,發現試樣內壁多處位置附著有體積、大小不一的黃白色垢樣(見圖12),經檢驗發現垢樣是未完全融化的水溶紙。使用內窺鏡檢查發現過熱器懸吊管進、出口集箱管座以及檢修更換的其余過熱器懸吊管的內部均附著有類似未完全融化的水溶紙等異物。

圖12 試樣內壁附著異物外觀

3 結論及建議

綜上所述,該管爆管泄漏的原因是:在檢修懸吊管并更換部分管段時,管內填塞水溶紙過多、過緊,水溶紙團遇到高溫介質后未完全融化,變成硬質物塊掛附在焊口或被介質沖至管內其他位置,導致管內有效流通面積變小;過熱器懸吊管進、出口集箱管座接口處貼附有大量異物,同樣會造成管內有效流通面積變小,使得介質對管道冷卻不足,布置在尾部煙道高溫區域的懸吊管發生長時過熱現象,材料強度下降,最終引起爆管。

為了避免該類問題再次發生,建議進行以下操作。

(1) 在受熱面管檢修更換過程中,加強懸吊管對口前側內部清潔度檢查以及水溶紙的規范使用,避免因雜質、異物或水溶紙過量使受熱面管內部有效流通面積減小。

(2) 加強機組檢修過程中防磨、防爆檢查質量的把控,重點排查懸吊管是否存在變色、脹粗、外壁氧化層明顯增厚以及飛灰沖刷區域管壁減薄明顯等情況,同時要兼顧檢查覆蓋面,管道的防磨瓦、卡塊等部件均要仔細檢查。針對易發生缺陷部位,在加強宏觀檢查的基礎上,可輔助硬度測試、蠕脹測量以及表面無損檢測等手段。

(3) 完善受熱面管壁溫檢測,必要時可增加管壁測溫點,以全面監測爐管運行情況,并定期做好運行溫度較高受熱面管的割管取樣檢查,及時掌握管子的各項性能指標。

(4) 嚴格按照運行規程,加強燃燒控制與調整,避免爐膛溫度波動較大,防止受熱面超溫運行。