李希續(xù)

摘 要：鍋爐水冷壁的泄漏和爆管事故的發(fā)生，給電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了較大影響。根據(jù)2號(hào)爐2016-09-28爆管的情況，取樣進(jìn)行了檢驗(yàn)分析工作，包括宏觀檢查、幾何尺寸測(cè)量、化學(xué)成分分析、維氏硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、金相分析、內(nèi)壁垢量測(cè)定、外壁氧化皮和內(nèi)壁垢層能譜成分分析。最終得出爆管結(jié)果為2號(hào)爐水冷壁管樣的爆管類型為局部長(zhǎng)期過(guò)熱。引起管樣局部長(zhǎng)期過(guò)熱的根本原因是爐內(nèi)水質(zhì)品質(zhì)不良，焊縫根部凸出，導(dǎo)致垢層在焊縫附近向火側(cè)內(nèi)壁顯著沉積，造成焊縫附近向火側(cè)局部長(zhǎng)期過(guò)熱。之后提出了相應(yīng)的解決方法和防范措施，對(duì)鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：水冷壁；爆管；凝汽器泄漏；局部長(zhǎng)期過(guò)熱

中圖分類號(hào)：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.04.073

1 背景

廣州市旺隆熱電有限公司2號(hào)爐為東方鍋爐廠制造的DG420/9.8-II2型、鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)、單爐膛露天布置、平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式、固態(tài)排渣、100 MW高溫高壓自然熱循環(huán)煤粉爐。2號(hào)機(jī)組于2005-10投產(chǎn)，至2016-09水冷壁爆管時(shí)機(jī)組累計(jì)運(yùn)行84 376 h，汽機(jī)凝汽器管材質(zhì)為黃銅。2號(hào)爐水冷壁共由480根管組成，前、后墻各127根，兩側(cè)墻各113根，規(guī)格為60×5 mm，材料牌號(hào)為20G，水冷壁管內(nèi)水質(zhì)設(shè)計(jì)溫度為320 ℃，設(shè)計(jì)壓力為11.5 MPa。

2號(hào)爐水冷壁于2016-09-28發(fā)生爆管泄漏，爆管為爐后側(cè)從B側(cè)往A側(cè)數(shù)第22根，位置為第1層吹灰器第1個(gè)吹灰口下方0.6 m處，離上層燃燒器口上方約2 m，爆口處于廠家焊口處。爆管的管段為機(jī)組投產(chǎn)后至今未更換過(guò)的水冷壁管段，已累計(jì)運(yùn)行84 376 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀檢查

管樣及爆口的宏觀檢查結(jié)果具體如下：①爆口位于管樣向火側(cè)，呈縱向開口，爆口張開較小，縱向長(zhǎng)13.0 mm，寬1.5 mm。②爆口部位存在明顯鼓包和結(jié)渣，稍遠(yuǎn)離爆口外壁未見(jiàn)鼓包和明顯結(jié)渣。③爆口對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁局部存在較厚的紅褐色垢層，稍遠(yuǎn)離爆口內(nèi)壁未見(jiàn)明顯垢層。另外，爆口附近內(nèi)壁的焊口存在焊縫根部凸出的情況，最高1.5 mm，尚未達(dá)到DL/T 869的上限值（2.0 mm）。

2.2 幾何尺寸測(cè)量

管樣的幾何尺寸（外徑和壁厚）測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1.

DL/T 438—2009 碳素鋼管外徑蠕變應(yīng)變大于3.5%，應(yīng)及時(shí)更換管段

DL/T 939—2005 水冷壁壁厚減薄量不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)壁厚的30%

由表1可知：①管樣爆口部位脹粗值6.30%，已超過(guò)DL/T 438的規(guī)定；其他部位的外徑未見(jiàn)脹粗。②管樣僅在爆口部位存在明顯壁厚減薄，其他部位的壁厚未見(jiàn)減??；爆口部位壁厚減薄值20.8%，尚未達(dá)到DL/T 939規(guī)定的上限值。

2.3 化學(xué)成分分析

按照GB/T 223系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其C、Si、Mn、P、S元素含量均符合GB 5310對(duì)20G的規(guī)定。

2.4 維氏硬度試驗(yàn)

按照GB/T 4340.1在HVS-50型維氏硬度機(jī)上對(duì)2個(gè)金相環(huán)樣進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷98 N，保載時(shí)間10 s，結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可知，管樣僅爆口部位的硬度明顯較低，最低值為106 HV，已低于DL/T 438規(guī)定的下限值，其他部位的硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.5 拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 228在MTS810電液伺服試驗(yàn)機(jī)上對(duì)拉伸試樣在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知，管樣的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率符合GB 5310對(duì)20G新管的規(guī)定，管樣向火側(cè)的各項(xiàng)拉伸性能指標(biāo)均略低于其背火側(cè)。

2.6 金相分析

在管樣爆口部位和遠(yuǎn)離爆口部位各制取1個(gè)金相環(huán)，在OLYMPUS GX71光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相分析，按照DL/T 674—1999金相球化評(píng)級(jí)，分析結(jié)果如下：①爆口部位向火側(cè)外壁存在氧化皮略厚，最厚為0.20 mm；遠(yuǎn)離爆口部位向火側(cè)外壁氧化皮較薄，為0.10 mm。②爆口部位向火側(cè)內(nèi)壁存在較厚垢層，最厚為1.0 mm，垢層中可見(jiàn)大量的亮黃色銅顆粒；遠(yuǎn)離爆口部位向火側(cè)內(nèi)壁垢層較薄。③爆口部位內(nèi)外壁存在較多的沿壁厚方向發(fā)展的蠕變微裂紋和孔洞，顯微組織中存在較多蠕變孔洞，珠光體球化5級(jí)；爆口部位背火側(cè)及遠(yuǎn)離爆口向、背火側(cè)的金相組織為鐵素體加珠光體，珠光體未見(jiàn)球化，為1級(jí)。

2.7 內(nèi)壁垢量測(cè)定

在遠(yuǎn)離爆口部位制取垢量測(cè)量試樣，按照DL/T 794—2012對(duì)管樣內(nèi)壁垢量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4.由表4可知，管樣向火面內(nèi)壁垢量為332.0 g/m2，尚未達(dá)到DL/T 794規(guī)定的需要化學(xué)清洗上限值。

3 綜合分析

3.1 爆管類型

根據(jù)以上試驗(yàn)分析結(jié)果，歸納爆管有如下幾個(gè)基本特征：①爆口位于管樣向火側(cè)，呈縱向開口，爆口張開較小，縱向長(zhǎng)13.0 mm，寬1.5 mm；爆口附近內(nèi)壁的焊口存在焊縫根部凸出現(xiàn)象，最高1.5 mm，尚未達(dá)到DL/T 869規(guī)定的上限值。②爆口部位存在明顯鼓包和外壁結(jié)渣，稍遠(yuǎn)離爆口外壁未見(jiàn)明顯結(jié)渣；爆口部位外壁氧化皮金相截面最厚為0.2 mm，其主要元素為鐵和氧，還均存在少量腐蝕性元素硫及鈣、硅、鋁。③爆口對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁局部存在較厚的紅褐色垢層，爆口部位內(nèi)壁垢層金相截面最厚為1.0 mm，垢層中可見(jiàn)大量的亮黃色銅顆粒；內(nèi)壁垢層主要元素為鐵和氧，還存在銅、磷、鈣，其中銅局部含量高達(dá)14.43%，磷高達(dá)15.64%；稍遠(yuǎn)離爆口內(nèi)壁未見(jiàn)明顯垢層，其向火面內(nèi)壁垢量為332.0 g/m2，尚未達(dá)到DL/T 794規(guī)定的需要化學(xué)清洗上限值。④爆口部位內(nèi)外壁存在較多的沿壁厚方向發(fā)展的蠕變微裂紋和孔洞，顯微組織中存在較多蠕變孔洞，珠光體球化5級(jí)；爆口部位背火側(cè)及遠(yuǎn)離爆口向、背火側(cè)的金相組織為鐵素體加珠光體，珠光體未見(jiàn)球化，為1級(jí)。

根據(jù)以上基本特征，判斷2號(hào)爐水冷壁管樣的爆管類型為局部長(zhǎng)期過(guò)熱。

3.2 爆管原因分析

2號(hào)爐凝汽器管材質(zhì)為黃銅，管樣爆口部位內(nèi)壁垢層存在銅、鈣、氧、鎂元素，可知凝汽器管曾發(fā)生過(guò)泄漏，使未經(jīng)處理的生水進(jìn)入爐水系統(tǒng)。另外，內(nèi)壁垢層存在的磷元素為爐水加藥引入，爐水加藥量可能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許的量。

管樣爆口附近內(nèi)壁的焊口存在明顯的焊縫根部凸出，雖尚未超標(biāo)，但會(huì)降低該部位水質(zhì)的流速，在向火側(cè)的較高壁溫作用下，該部位水質(zhì)濃縮加劇，易使水冷壁內(nèi)水質(zhì)中的銅、鈣等雜質(zhì)顆粒沉積到該部位形成垢層，隨著機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行，焊縫附近向火側(cè)內(nèi)壁的垢層不斷增厚。

水冷壁管向火側(cè)內(nèi)壁垢層的導(dǎo)熱系數(shù)較低，垢層使管內(nèi)水質(zhì)與管壁之間起著隔熱作用，一方面，管內(nèi)水質(zhì)難以從管外吸熱，水質(zhì)溫度難以升高；另一方面，管壁的熱量難以被管內(nèi)水質(zhì)帶走，使傳熱惡化，導(dǎo)致該部位的管壁溫度持續(xù)升高，引起水冷壁管局部長(zhǎng)期過(guò)熱，直接影響到管子長(zhǎng)期運(yùn)行下的性能。

4 結(jié)論

2號(hào)爐水冷壁管樣的爆管類型為局部長(zhǎng)期過(guò)熱。引起管樣局部長(zhǎng)期過(guò)熱的根本原因是爐內(nèi)水質(zhì)品質(zhì)不良，焊縫根部凸出，導(dǎo)致垢層在焊縫附近向火側(cè)內(nèi)壁顯著沉積，進(jìn)而導(dǎo)致管子導(dǎo)熱系統(tǒng)降低，從而引起水冷壁管局部長(zhǎng)期過(guò)熱。

5 處理與防范措施

2017年2號(hào)機(jī)組將進(jìn)行A級(jí)檢修，利用機(jī)組檢修時(shí)機(jī)對(duì)2號(hào)爐A，B，C，D角燃燒器周圍熱負(fù)荷高區(qū)域的水冷壁焊縫附近管段進(jìn)行宏觀、壁厚及內(nèi)壁垢層的檢查工作，其中，內(nèi)壁垢層采取割管內(nèi)窺鏡檢查。檢查的范圍為燃燒器標(biāo)高位置至燃燒器上方3 m內(nèi)范圍的水冷壁焊縫（即水冷壁標(biāo)高12～18 m區(qū)域），對(duì)此范圍內(nèi)的管段每隔10根管采取割管內(nèi)窺檢查。如果內(nèi)窺檢查發(fā)現(xiàn)焊縫附近存在明顯的結(jié)垢，則對(duì)其進(jìn)行更換。同時(shí)，以此為基準(zhǔn)點(diǎn)，向兩側(cè)水冷壁進(jìn)行擴(kuò)大性內(nèi)窺檢查，對(duì)有明顯結(jié)垢的焊縫管段進(jìn)行更換，直至焊縫沒(méi)有明顯的結(jié)垢為止，更換長(zhǎng)度為焊縫上下方各0.5 m。

加強(qiáng)爐內(nèi)水質(zhì)的化學(xué)監(jiān)督檢驗(yàn)工作。檢驗(yàn)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：①對(duì)化學(xué)在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)儀表設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)校正；②增加銅離子在線監(jiān)測(cè)儀表設(shè)備；③控制爐水加藥的磷酸根藥物的投入量，以免造成過(guò)多的磷元素積聚在熱負(fù)荷高區(qū)域的水冷壁焊縫中；④利用機(jī)組檢修和臨停時(shí)機(jī)開展凝汽器管防泄漏檢查項(xiàng)目，以避免凝汽器管子泄漏時(shí)將銅離子帶入水冷壁中。

每年機(jī)組檢修都對(duì)燃燒器周圍熱負(fù)荷高區(qū)域的水冷壁焊縫管段進(jìn)行割管檢查。如果水冷壁內(nèi)壁的結(jié)垢量達(dá)到DL/T 794規(guī)定的需要化學(xué)清洗上限值（400 g/m2），則對(duì)鍋爐水冷壁系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水冷壁技術(shù)監(jiān)督是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作，要確保水冷壁管的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需電廠化學(xué)專業(yè)、汽機(jī)專業(yè)、鍋爐專業(yè)、金屬專業(yè)配合，共同做好技術(shù)監(jiān)督的各項(xiàng)細(xì)致工作，從而保障火電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)2號(hào)爐爆管的取樣分析，得出了爆管的原因，為火力發(fā)電廠水冷壁的技術(shù)監(jiān)督提供了有利的參考價(jià)值。

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〔編輯：劉曉芳〕