蘇永健，關(guān)鑫源

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750400）

超臨界鍋爐右包墻過(guò)熱器爆管原因分析及預(yù)防措施

蘇永健，關(guān)鑫源

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750400）

火力發(fā)電廠鍋爐受熱面四管泄漏防范對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，四管泄漏涉及鍋爐、金屬、化學(xué)等多個(gè)專業(yè)，與運(yùn)行人員操作水平和檢修質(zhì)量等密切相關(guān)。根據(jù)鍋爐包墻過(guò)熱器爆管，從機(jī)組運(yùn)行前后參數(shù)和檢查情況，對(duì)可能導(dǎo)致爆管的原因進(jìn)行逐一分析，得出了爆管的直接原因。根據(jù)機(jī)組目前運(yùn)行存在的問(wèn)題，提出和制定了相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)同類型超臨界鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行有一定參考價(jià)值。

鍋爐；包墻過(guò)熱器；爆管；熱應(yīng)力

0 引言

某廠2×660 MW HG-2210/25.4-YM16型鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司自主開(kāi)發(fā)制造的燃煤超臨界660 MW鍋爐。為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐，π型布置，單爐膛，尾部雙煙道，全鋼架，懸吊結(jié)構(gòu)，鍋爐主要參數(shù)見(jiàn)表1。采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺(tái)ZGM113G-Ⅱ型磨煤機(jī)，5運(yùn)1備；煤粉細(xì)度R90=18%。鍋爐采用墻式切圓燃燒方式，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，每層4只對(duì)應(yīng)1臺(tái)磨煤機(jī)。SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方的水冷壁的四角，以實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒降低NOx排放。

2016年 7月 21日，7∶10分 2號(hào)機(jī)組負(fù)荷620 MW，機(jī)組補(bǔ)水率由1.1%上漲至1.97%，凝結(jié)水補(bǔ)水調(diào)門(mén)全開(kāi)，補(bǔ)水量快速增加至最大值71 t/h，鍋爐水平煙道右側(cè)末再入口煙溫明顯降低，右側(cè)低再入口煙溫降低，就地有明顯異音，判斷鍋爐泄漏，立即申請(qǐng)緊急停爐。

1 2號(hào)鍋爐爆管檢查情況

7月27日18時(shí)，在爐內(nèi)溫度和腳手架均具備條件后，入爐檢查發(fā)現(xiàn)右包墻過(guò)熱器的第1根管在頂棚過(guò)熱器下部450 mm處靠爐前鰭片根部管失效，縱向開(kāi)裂（裂透）約5 mm，吹漏與之相鄰的前包墻右數(shù)第1根管，后繼吹漏附近的水冷壁折焰角拉稀管及前包墻管5根。

7月28日，對(duì)爆管部位及附近管排進(jìn)行詳細(xì)檢查，檢查發(fā)現(xiàn)爆管吹損周圍的頂棚過(guò)熱器、右包墻過(guò)熱器、前包墻過(guò)熱器、折焰角拉稀管、水冷壁延伸側(cè)墻管達(dá)到換管標(biāo)準(zhǔn)的共24根。

2 包墻過(guò)熱器爆管原因分析

2.1 系統(tǒng)及設(shè)計(jì)參數(shù)

前包墻右側(cè)的邊管屬于包墻過(guò)熱器系統(tǒng)，上部與頂棚管出口集箱相連，下部與前包墻下集箱相連，這根管所處的位置屬于水冷壁系統(tǒng)和右包墻系統(tǒng)的分界位置。前包墻右側(cè)的邊管與水冷壁延伸側(cè)墻管內(nèi)的介質(zhì)不同，與右包墻管內(nèi)介質(zhì)相同。前包墻右側(cè)邊管管內(nèi)介質(zhì)流向?yàn)樽陨隙拢瑑蓚?cè)右包墻過(guò)熱器和水冷壁延伸側(cè)墻管內(nèi)介質(zhì)流向?yàn)樽韵露稀?/p>

查閱熱力計(jì)算結(jié)果，該部位各煙氣和管內(nèi)工質(zhì)出入口溫度均可滿足在各個(gè)負(fù)荷下系統(tǒng)運(yùn)行要求。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)（g為表壓力）

2.2 安裝焊接工藝及質(zhì)量

從設(shè)計(jì)圖紙要求的焊接工藝來(lái)看：要求在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接時(shí)鰭片部位角焊縫在全長(zhǎng)度上連續(xù)焊好焊透，焊角K值為5 mm?，F(xiàn)場(chǎng)檢查均滿足焊接工藝要求，未發(fā)現(xiàn)咬邊現(xiàn)象。該部位受熱面管對(duì)接焊口均采用全氬焊接，焊口100%射線探傷，管道對(duì)接焊口中心線距離管道彎曲起點(diǎn)大于管道外徑，且大于100 mm，該部位安裝時(shí)為散管，不存在強(qiáng)力對(duì)口，焊接工藝及質(zhì)量均符合要求。

2.3 材料機(jī)械性能和金相組織分析

2016年8月2日對(duì)2號(hào)鍋爐右包墻過(guò)熱器爆管外送進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 拉伸試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

從檢驗(yàn)結(jié)果可以看出：送檢樣品的下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均在GB5310—2008規(guī)定的范圍內(nèi)。在金相顯微鏡500×的倍率下，送檢樣管呈珠光體加鐵素體，球化級(jí)別為：Ⅰ級(jí)未球化，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足GB5310—2008和DL/T787—2001中相關(guān)規(guī)定。

2.4 運(yùn)行參數(shù)分析

按照電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則要求，機(jī)組正常運(yùn)行中必須投入AGC模式。AGC模式下，機(jī)組變負(fù)荷率在10~12 MW/min運(yùn)行，機(jī)組升降負(fù)荷速率較快，鍋爐運(yùn)行調(diào)整頻繁，在升降負(fù)荷過(guò)程中造成鍋爐運(yùn)行參數(shù)如主汽壓力、溫度等都會(huì)發(fā)生波動(dòng)。

查閱2號(hào)鍋爐歷次啟停機(jī)和正常運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組負(fù)荷、過(guò)熱器壁溫、主汽壓力、溫度變化曲線，機(jī)組負(fù)荷變化過(guò)程中，過(guò)熱器壁溫的變化較平緩，壁溫變化速率在3℃/min范圍內(nèi)，主汽溫度、壓力變化平穩(wěn)。

2.5 爆管部位設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及膨脹分析

爆管部位從爐前至爐后具體設(shè)計(jì)為水冷壁右側(cè)延伸側(cè)包墻、后煙道前包墻邊管、后煙道右側(cè)包墻。規(guī)格材質(zhì)為：水冷壁右側(cè)延伸側(cè)包墻，φ44.5×7 mm，15CrMoG；后煙道前包墻邊管，φ44.5×7 mm，15CrMoG；后煙道右側(cè)包墻；φ63.5×10 mm，15CrMoG。3根管之間用δ=6 mm，15CrMoG鋼板焊接密封連接。前包墻管（除左右側(cè)第1根） 在水平煙道上部2根1組并列拉稀形成煙氣通道，水平煙道下部管段共173根由δ=6 mm，15CrMoG鰭片焊接成一整片，2管中心距110 mm；而左右側(cè)第1根管子在水平煙道上部管段向兩側(cè)包墻彎曲，并變徑至與側(cè)包墻和側(cè)墻水冷壁管徑相同，以保持結(jié)構(gòu)平齊，且與側(cè)包墻管由鰭片焊接成一整片，下部管段與其他管子焊接成一整體。頂棚管出口集箱長(zhǎng)19.489 m，左右包墻第1根和水冷壁延伸側(cè)包墻3根管讓位后該集箱穿過(guò)左右包墻，集箱兩頭焊接加強(qiáng)護(hù)板并焊接鰭片與包墻形成一體（圖1）。

圖1 水冷壁延伸側(cè)包墻及底包墻總圖（mm）

鍋爐本體采用全懸吊結(jié)構(gòu)，使鍋爐本體的每個(gè)部分能夠比較充分的熱膨脹，大大地減少了由于熱膨脹受阻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。鍋爐的自然熱膨脹中心除了與鍋爐的幾何尺寸有關(guān)之外，還與溫度的分布有關(guān)。而鍋爐在啟動(dòng)低負(fù)荷、滿負(fù)荷和停爐工況下溫度的分布是不一樣的。因此，鍋爐的自然熱膨脹中心是隨著工況的變化而變化的。

爐膛前、后墻及后煙道前、后墻的膨脹中心設(shè)置在鍋爐對(duì)稱中心線；螺旋水冷壁側(cè)墻膨脹中心設(shè)置在距爐膛后墻中心線1 300 mm處，垂直管屏水冷壁側(cè)墻的膨脹中心設(shè)置在距爐膛后墻中心線1 300 mm處。

a）鍋爐啟?；蛏地?fù)荷過(guò)程中升、降溫速度過(guò)快，即瞬間煤水比過(guò)大，導(dǎo)致在介質(zhì)流量增加與爐膛熱輸入的增加不匹配，又因?yàn)轫斉锕艹隹诩湟话朐跔t內(nèi)，受到煙氣的加熱，升降溫速度快，在鍋爐升降溫速度過(guò)快的情況下，導(dǎo)致頂棚管出口墻集箱向爐兩側(cè)的膨脹量在短時(shí)間內(nèi)比水冷壁延伸側(cè)包墻的大很多，水冷壁延伸管屏又帶著后煙道側(cè)包墻一起膨脹，從而導(dǎo)致集箱與水冷壁延伸側(cè)包墻、后煙道側(cè)包墻連接的區(qū)域脹差很大[1]。

b）后煙道前包墻邊管和與其相連的水冷壁延伸側(cè)墻中的介質(zhì)不同，分屬于兩個(gè)系統(tǒng)，流動(dòng)方向也不同。在鍋爐啟動(dòng)初期，水冷壁延伸側(cè)墻管內(nèi)充滿水，管子壁溫較低，而前包墻這邊管介質(zhì)量較少，壁溫較高。后煙道前包墻邊管和水冷壁延伸側(cè)墻管兩者溫差較大，導(dǎo)致上下及前后方向膨脹不同步[2]，后煙道前包墻邊管為直管段結(jié)構(gòu)不能吸收膨脹不同步產(chǎn)生的脹差。

2.6 爆管部位應(yīng)力分析

爆管區(qū)域頂棚管出口集箱、后煙道前包墻、后煙道右包墻、水冷壁延伸墻在此集中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其中頂棚管出口集箱、后煙道前包墻、后煙道右包墻屬于過(guò)熱器系統(tǒng)，水冷壁延伸側(cè)墻屬于水冷壁系統(tǒng)，分屬2個(gè)不同的系統(tǒng)。水冷壁系統(tǒng)先有介質(zhì)，過(guò)熱器系統(tǒng)后有介質(zhì)，所以包墻過(guò)熱器系統(tǒng)受熱膨脹要快一些，在機(jī)組啟停及機(jī)組升降負(fù)荷變工況過(guò)程中，隨著溫度的升降變化，兩個(gè)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生脹差，隨之產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力隨著機(jī)組升降負(fù)荷工況變化而頻繁變化。若升溫或降溫速度過(guò)快，2個(gè)系統(tǒng)的脹差就會(huì)很大，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力。右包墻與前包墻右側(cè)第1根管上部管段和水冷壁延伸側(cè)包墻由鰭片連接成一體，各管及集箱沿各個(gè)方向整體膨脹或收縮過(guò)程中因脹差產(chǎn)生的應(yīng)力無(wú)法有效釋放，導(dǎo)致在右包墻第1根管鰭片根部應(yīng)力集中[3]。

通過(guò)以上分析可知此次爆管原因?yàn)椋河野鼔?、水冷壁延伸?cè)墻、前包墻和頂棚出口集箱在機(jī)組啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中因受熱不均勻，導(dǎo)致各方向膨脹不同步且膨脹量也不同。前包墻邊管設(shè)計(jì)為直管與右包墻右側(cè)第1根管由鰭片連接成一體，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，局部膨脹受阻。右包墻第1根在讓位管彎管段受膨脹或收縮形成外力，導(dǎo)致該部位受力大增，系統(tǒng)受熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力過(guò)大不能釋放，在應(yīng)力集中、薄弱的位置管材受交變熱應(yīng)力作用產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋延深至管子內(nèi)壁后導(dǎo)致管子泄漏。

3 爆管部位處理情況

a）對(duì)此次泄漏、吹損的頂棚過(guò)熱器、右包墻過(guò)熱器、前包墻過(guò)熱器、水冷壁折煙角拉稀管、水冷壁延伸側(cè)墻管共24根管段已割除并更換新的管段。

b）結(jié)合哈爾濱鍋爐廠處理意見(jiàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，應(yīng)該提高管子的柔性，提高其吸收脹差產(chǎn)生交變應(yīng)力的能力，所以此次將后煙道前包墻邊管與頂棚出口集箱連接處更換為彎管。另外，裝配的新彎管不與相鄰管子連接到一起，與相鄰管子之間安裝的密封鋼板不與新彎管焊接，只與旁邊的鰭根焊接連接到一起，防止保溫材料脫落（見(jiàn)圖 2）。

圖2局部改造及密封板安裝圖

4 防范措施

a）對(duì)爐左相同部位進(jìn)行擴(kuò)大性檢查，對(duì)相同部位著色檢查發(fā)現(xiàn)鰭片根部有一處10 mm長(zhǎng)淺表性裂紋，打磨至管壁后未發(fā)現(xiàn)裂紋。對(duì)爐左原前包墻邊管更換為帶彎頭管段。

b）為防止其他部位產(chǎn)生類似缺陷，對(duì)尾部煙道中間隔墻出口集箱出入口邊管進(jìn)行著色探傷，對(duì)連接鰭片割止裂縫和止裂孔。

c）調(diào)研咨詢哈爾濱鍋爐廠及同類型投產(chǎn)鍋爐存在的問(wèn)題，對(duì)需要進(jìn)行局部改造的在后續(xù)檢修中進(jìn)行整改，防止同類型問(wèn)題的發(fā)生。

d）加強(qiáng)對(duì)尾部低溫過(guò)熱器、低溫再熱器、包墻過(guò)熱器等部位檢查的力度，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和應(yīng)力集中區(qū)域定期檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題部位進(jìn)行擴(kuò)大性檢查。

e） 制定切實(shí)可行的受熱面管金屬監(jiān)督計(jì)劃，在后續(xù)檢修中逐步安排實(shí)施。

f）查閱出廠圖紙，對(duì)設(shè)計(jì)和安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)存在問(wèn)題積極聯(lián)系鍋爐廠協(xié)調(diào)解決。

g）做好燃燒調(diào)整工作，防止出現(xiàn)運(yùn)行超溫和升降溫速率過(guò)快現(xiàn)象。

h）堅(jiān)持“逢停必查”的原則，對(duì)投產(chǎn)至今爆管部位和缺陷較多部位重點(diǎn)檢查。加強(qiáng)防磨防爆人員隊(duì)伍建設(shè)，提高相關(guān)專業(yè)人員的防磨防爆技術(shù)水平。

i）按照“四不放過(guò)”原則，做好“四管”爆漏事故分析，對(duì)四管爆漏事故要如實(shí)記錄爆漏前的運(yùn)行工況及處理措施。認(rèn)真分析每一起“四管”爆漏事故，查明原因，明確責(zé)任，以便吸取教訓(xùn)，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

[1] 胡鋒濤，宋利，曹艷萍.1 950 t/h超臨界直流鍋爐側(cè)包墻過(guò)熱器泄漏原因分析 [J].電站系統(tǒng)工程，2011(5).27(3)：31-32.

[2] 黃文鋒.鍋爐水平煙道處包墻過(guò)熱器管開(kāi)裂原因分析及改進(jìn)[J].電力安全技術(shù)，2009(8)：39-40.

[3] 魏秉科.DG2070/17.5-Ⅱ6型鍋爐前包墻管泄漏故障分析[J].寧夏電力,2011(3)：32-34.

Cause Analysis and Preventive Measures of Tube Burst in Wall-enclosure Super-heater of Super Critical Boiler

SU Yongjian，GUAN Xinyuan
（Ningxia Jingneng Ningdong Electric Power Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750400,China）

To prevent leakage of four tubes in boiler's heating surface is of importance for the safety and stability of the unit in the thermal power plant.The leakage ofthe four tubes is closelyrelated tothe operation level and service quality ofthe personnel in the field of boiler,metal,chemistryand soon.In viewofa tube burst accident ofa wall-enclosure super-heater,each factor that maylead totube burst is analyzed,and the reason leading to the burst is finally identified.According to the problems existing in the operation of the unit,the corresponding preventive measures are put forward and developed,which could provide references for the safe and stable operation of the supercritical boiler ofthe same type.

boiler;wall-enclosure super-heater;tube burst;thermal stress;expansion

TK428

B

1671-0320（2017）05-0066-04

2017-07-02，

2017-07-22

蘇永健（1973），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，2010年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事電廠生產(chǎn)管理工作；關(guān)鑫源（1987），男，甘肅平?jīng)鋈耍?012年畢業(yè)于華北電力大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)，碩士，工程師，從事鍋爐設(shè)備檢修工作。