超臨界鍋爐過熱器爆管分析

內(nèi)容摘要：介紹一起超臨界直流鍋爐末級(jí)過熱器爆管事故,，采用宏觀檢查,、壁厚測量,、蠕脹測量等檢驗(yàn)檢測方法,，分析查找爆管原因,，提出相關(guān)建議和措施。

     某廠一臺(tái)600MW發(fā)電機(jī)組1950t/h超臨界鍋爐,，于2001年9月23日投入使用,，2004年4月22日運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)該機(jī)組給水量突然增加,，在九、十層爐前及爐右側(cè)確認(rèn)爐膛有泄漏聲音,。4月23日緊急停爐,，檢查發(fā)現(xiàn)末級(jí)過熱器出口高溫段左起第43排前起第20根管爆破。該鍋爐由日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社設(shè)計(jì)制造,，主要技術(shù)參數(shù)為,，zui大允許工作壓力：25.9MPa，設(shè)計(jì)出口溫度：542℃,，zui大連續(xù)蒸發(fā)量：1950 t/h,；補(bǔ)給水處理方式：混床精處理除鹽水；燃燒方式：雙切圓燃燒,。

一,、爆管基本情況

該鍋爐末級(jí)過熱器共44排，每排共30根，爆口位于右側(cè)出口高溫段,，鍋爐頂棚向上約1米位置,，該處管子規(guī)格為Φ48.6×7.4mm，材質(zhì)為SA213-T91,。

爆破口沿管子軸向（縱向）開裂,，基本展開成平面，管子由于爆管發(fā)生扭曲變形,；縱向裂口位于迎風(fēng)面約45^o的位置，縱向斷口壁厚減薄,，附近管子有明顯脹粗跡象,，爆口具體位置及形貌如圖1、圖2所示,。

            圖1  爆口位置                         圖2 爆口形貌

二,、檢驗(yàn)檢測

為查找過熱器爆管原因，筆者在查看現(xiàn)場爆口形貌及查閱有關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上,，采用壁厚測量,、蠕脹測量、射線檢測,、化學(xué)分析,、壁溫測定及微觀檢查等檢驗(yàn)檢測方法，對(duì)末級(jí)過熱器進(jìn)行了檢測分析,。

（一）壁厚測量

對(duì)發(fā)生爆管的相鄰管排進(jìn)行壁厚測量,，實(shí)測結(jié)果見表1，測點(diǎn)部位見圖3,。實(shí)測壁厚數(shù)值顯示,，左起第42排前起第23根至第30根管子減薄明顯。由此可以推測：左起第43排前起第20根管子zui先泄漏處應(yīng)為向左偏爐后位置,，泄漏的蒸汽對(duì)著第42排管子吹掃,，造成左起第42排前起第23根至第30根管子磨損減薄。

                          表1   左起第42排管子實(shí)測壁厚數(shù)值                  mm

備注：1,、*行序號(hào)20表示前起第20根管子,，*列序號(hào)A表示測點(diǎn)位于示意圖中A處位置，依此類推,；

2,、A處及B處管子公稱壁厚均為7.4mm，C處管子公稱壁厚為8.2mm,。

圖3  壁厚測量部位示意圖                  圖4  脹粗測量部位示意圖

（二）蠕脹測量

對(duì)末級(jí)過熱器出口管段進(jìn)行蠕脹測量,，測量結(jié)果見表2，測量部位見圖4。從表2看,左起第35排至第44排前起第20根管子T91材質(zhì)管段有脹粗跡象,，其中左起第41排,、第42排前起第20根管子明顯脹粗，蠕脹率超過了合金鋼管子脹粗2.5%的換管標(biāo)準(zhǔn),。

                           表2 前起第20根管子外徑測量數(shù)值                     mm

備注：1,、*行序號(hào)1表示左起第1排（前起第20根管子），*列序號(hào)A表示游標(biāo)卡尺置于示意圖中A向位置,，依此類推,；

2、管子公稱壁厚外徑為48.6mm,。

（三）射線檢測

為檢查彎頭內(nèi)部是否沉積異物,，對(duì)末級(jí)過熱器管排前起第19根與第20根間彎頭進(jìn)行射線檢測，檢測結(jié)果見圖5,，檢測位置見圖6,。從圖5可見，除左起第31排前起第19根與第20根間彎頭內(nèi)部沒有異物外,，其他管排均有異物沉積,，其中左起第40排異物zui多，堵塞率高達(dá)89%,。

圖5  前起第19根與第20根間彎頭內(nèi)部異物沉積堵塞率曲線圖

備注：橫坐標(biāo)＃1表示前起第1排管,，縱坐標(biāo)20表示彎頭內(nèi)部異物沉積堵塞率為20％，依此類推,。

圖6  RT檢測部位及異物沉積部位示意圖             圖7 彎頭內(nèi)部沉積物相片

（四）化學(xué)分析

1,、異物成份

從彎頭內(nèi)部清理出來的沉積物顏色看，異物呈多層分布,，下部為褐色,，上部為灰色（見圖7）。為查明沉積異物成份,，按垢樣分析程序?qū)Τ练e物進(jìn)行分析,，發(fā)現(xiàn)異物主要由氧化皮、絮狀不銹鋼絲和不溶物三部分組成,，分析結(jié)果見表3,。

2、管子化學(xué)成份分析

對(duì)爆管取樣進(jìn)行化學(xué)成份分析,，結(jié)果見表4,。從表4可見，爆管材質(zhì)化學(xué)成份符合ASMESA213-T91的標(biāo)準(zhǔn)要求,。

                             表3 沉積物按垢樣分析                            ％

                             表4 材質(zhì)化學(xué)成份                               ％

（五）壁溫測定

經(jīng)查閱爆管前的運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn),，末級(jí)過熱器管排前起第20根,、21根存在嚴(yán)重超溫現(xiàn)象，且右側(cè)管排壁溫比左側(cè)管排壁溫高,，在負(fù)荷波動(dòng)時(shí),，壁溫超溫更加嚴(yán)重。根據(jù)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)顯示,，左起第43排前起第20根管子壁溫經(jīng)常超溫,，zui高達(dá)到635℃，遠(yuǎn)超過SA213-T91材料的極限溫度585℃,。

（六）微觀檢查

用金相顯微鏡對(duì)爆口斷裂邊緣橫斷面進(jìn)行檢查,，發(fā)現(xiàn)爆口部位壁厚減薄，爆口端部存在許多細(xì)小的微裂紋和孔洞,，這些微裂紋和孔洞沿晶分布,，具有典型的蠕變損傷特征。對(duì)末過前起第20根管子出口管段（爆口標(biāo)高位置處）進(jìn)行金相分析,，結(jié)果表明部分管子存在金相組織劣化現(xiàn)象,。

此外,，割管檢查還發(fā)現(xiàn),，前起第20根過熱器管子內(nèi)壁存在氧化皮，厚度約為0.2mm,；硬度測定結(jié)果符合要求,。

三、原因分析

據(jù)了解,，該末級(jí)過熱器結(jié)構(gòu)曾經(jīng)鍋爐制造廠進(jìn)行改造時(shí),，增加了管排受熱面，但未進(jìn)行水動(dòng)力的重新分配計(jì)算,；改造后使得前起第20根管子流程增長了19m（改造前后長度分別為：23.3m和42.3m）,，彎頭內(nèi)側(cè)曲率半徑變小到29mm。

隨著管子流程增長和彎曲半徑變小,，相應(yīng)地管子彎頭數(shù)量和焊口數(shù)量增多,、彎管內(nèi)徑變小，造成了過熱蒸汽流動(dòng)阻力增大,、流速變緩,、流量減小，這是導(dǎo)致前起第20根至第23根管子管壁容易超溫的根本原因,。

由于末級(jí)過熱器處于爐膛出口高熱負(fù)荷區(qū)域,，加之運(yùn)行中存在爐膛熱負(fù)荷偏差（右側(cè)燃燒溫度比左側(cè)高），加劇了末級(jí)過熱器右側(cè)管排的超溫,；而超溫又使得管子內(nèi)壁容易生成氧化皮,，當(dāng)溫度變化幅度較大時(shí)（如：鍋爐的快速啟停）,，造成了氧化皮的大量脫落，脫落的氧化皮和檢修時(shí)不小心帶入的異物在彎管內(nèi)沉積,，使得超溫進(jìn)一步惡化,，并zui終導(dǎo)致末級(jí)過熱器出口高溫段左起第43排前起第20根管子過熱、脹粗,，直至爆管,。

綜上所述，筆者認(rèn)為爆管原因?yàn)椋耗┘?jí)過熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,，運(yùn)行時(shí)燃燒調(diào)整不當(dāng),，造成管子長期過熱，導(dǎo)致蠕變失效而爆破,。

四,、建議與措施

針對(duì)該臺(tái)鍋爐存在的問題，建議如下：

首先,，對(duì)不合理的末級(jí)過熱器管排結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造,，改造方案由原鍋爐設(shè)計(jì)制造單位或其他有相應(yīng)資質(zhì)的單位提供，但方案至少應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1,、         驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否合理,，增加水動(dòng)力和阻力計(jì)算；

2,、         為減少異物堵塞危險(xiǎn),，加大內(nèi)側(cè)管排的彎曲半徑；

3,、         為避免蒸汽流動(dòng)阻力增大,，減少前起第20根至第23根管子的長度；

4,、         為加強(qiáng)管壁溫度監(jiān)控,，增加管壁溫度測點(diǎn)；

5,、         為增強(qiáng)管子耐高溫性能及抗拉強(qiáng)度,，提高原有材料設(shè)計(jì)等級(jí)（如：將SA213-T91更換為SA213-TP347H）。

其次,，對(duì)鍋爐的燃燒進(jìn)行調(diào)整,，優(yōu)化鍋爐燃燒，減小爐膛左右溫差,；在鍋爐啟停過程中,，盡可能避免采取急速冷卻的方式，適當(dāng)提高停爐放水的壓力,，防止彎管積存水,；在鍋爐檢修時(shí),，應(yīng)采取有效措施，防止和減少異物落入管內(nèi),。

zui后,，對(duì)超溫的過熱器管進(jìn)行壽命評(píng)估，更換金相組織已嚴(yán)重劣化或磨損嚴(yán)重的受熱面管,。

六,、結(jié)束語

2005年檢修期間，按鍋爐設(shè)計(jì)制造單位提供的方案對(duì)末級(jí)過熱器進(jìn)行了改造,，改造后一直運(yùn)行到2006年5月鍋爐定期內(nèi)部檢驗(yàn),，檢驗(yàn)時(shí)未發(fā)現(xiàn)末級(jí)過熱器管子脹粗或彎內(nèi)氧化皮堆積現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

1,、顧克宏,，“#3爐3SH爆管原因分析的匯報(bào)”， 2004年5月,；

2,、三菱重工業(yè)株式會(huì)社，“三級(jí)過熱器出口管座不合適改造建議書”,，2004年10月,；

3、華陽電業(yè)有限公司,，“CP-1#3電站鍋爐使用登記簿”,， 200