王學(xué)禮

(華電萊州發(fā)電有限公司，山東 煙臺 261441)

0 引言

高參數(shù)、大容量的超臨界和超超臨界發(fā)電技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了燃煤發(fā)電機(jī)組的“高效、節(jié)能、潔凈、可靠”運(yùn)行，并不斷向節(jié)能降耗、改善環(huán)保的方向發(fā)展。我國現(xiàn)已成為擁有1 000 MW超超臨界機(jī)組最多的國家。但高溫、高壓等高參數(shù)運(yùn)行對鍋爐受熱面的金屬管材在耐高溫、抗蠕變、抗氧化等方面提出更高要求，在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行過程中任一環(huán)節(jié)的問題均可能造成高溫受熱面爆管事故，嚴(yán)重影響機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行[1]。本文針對某電廠1 000 MW超超臨界鍋爐點(diǎn)火、并網(wǎng)至滿負(fù)荷后，高溫過熱器(以下簡稱高過)發(fā)生爆管泄漏事故進(jìn)行原因分析并制定相關(guān)防范措施。

1 電廠鍋爐受熱面設(shè)備簡介

某電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組燃煤鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、運(yùn)轉(zhuǎn)層以上露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。旋流燃燒器采用前后墻對沖低NOx燃燒。屏式過熱器(以下簡稱屏過)位于爐膛上部，高過位于折焰角上方，高溫再熱器(以下簡稱高再)布置于高過后的水平煙道內(nèi)。高過、高再、屏過受熱面入口管段材質(zhì)均為TP347HFG,出口段材質(zhì)為SUP304H。高過共36屏，每屏26個管圈，管屏呈U型，外3圈管材為HR3C材料。高過入口集箱除最外圈均設(shè)置節(jié)流孔。

過熱器的蒸汽溫度是由燃料、給水比和兩級噴水減溫器來控制。第一級減溫器位于低溫過熱器出口集箱與屏過進(jìn)口集箱的連接管上，第二級減溫器位于屏過出口集箱與高過進(jìn)口集箱的連接管上。每級左右兩側(cè)各有1只減溫器。

2 高過爆管的過程及現(xiàn)場檢查情況

2017-09-19 T 10:35，機(jī)組負(fù)荷1 024 MW，主蒸汽(以下簡稱主汽)壓力25.19 MPa，主汽溫度597.67 ℃。鍋爐#23,#26,#32“四管泄漏”報警發(fā)出。就地檢查，鍋爐本體60.50 m處爐前方向有哧汽聲，前墻中間觀火孔處聲音最大，判斷為高過發(fā)生爆管。

停爐后檢查發(fā)現(xiàn)高過左數(shù)第16屏外第11個管圈在入口段TP347HFG和出口段SUPER304H材料焊縫上側(cè)爆開，爆口處管段嚴(yán)重變形，爆口處管子壁厚減薄不明顯，爆口邊緣存在大量沿管軸向的蠕脹裂紋，爆口邊緣管徑明顯脹粗，如圖1所示。距爆管邊緣約100 mm，800 mm處的TP347HFG管徑分別為47.72 mm，46.75 mm(原始外徑45 mm)，管徑脹粗量分別為6.0%和3.9%。

圖1 高過爆口原狀

Fig.1 Explosion part of high temperaturesuperheater tube

3 高過爆管原因分析

超超臨界鍋爐高過爆管原因涉及設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、檢修等多方面因素。針對本次過熱器爆口原狀，通過查閱壁溫曲線、取樣檢驗(yàn)、異物檢測等手段逐層分析，確定高過爆管原因。

3.1 設(shè)計(jì)因素

調(diào)研國內(nèi)與本電廠爐型一致的眾多鍋爐，其他同類型鍋爐運(yùn)行時間最長達(dá)5年，高過未因結(jié)構(gòu)原因發(fā)生爆管現(xiàn)象；對高過左數(shù)第14個聯(lián)箱第11個節(jié)流孔尺寸進(jìn)行了測量，節(jié)流孔尺寸和圖紙相符，排除設(shè)計(jì)原因。

3.2 樣管金相組織檢驗(yàn)

奧氏體鋼因其優(yōu)良的高溫抗氧化性能在超超臨界機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。高過入口管段的TP347HFG細(xì)晶奧氏體耐熱鋼，屬于18Cr-8Ni系列鋼，出口段的SUP304H細(xì)晶奧氏體耐熱鋼為TP304H奧氏體鋼的改進(jìn)型，外3圈HR3C鋼為25Cr-20Ni鋼。發(fā)生爆管的高過樣管宏觀檢查無變色，爆口金相檢驗(yàn)結(jié)果呈短時超溫爆管特征。對高過多個未脹粗的樣管進(jìn)行金相、化學(xué)成分、機(jī)械性能分析，結(jié)果均合格，排除管材質(zhì)量的問題。

3.3 高過壁溫超溫情況

超超臨界鍋爐高溫受熱面主要是過熱和再熱，管道材料的設(shè)計(jì)工作溫度接近材質(zhì)的許用極限溫度范圍，且工作于高溫?zé)煔猸h(huán)境中，管壁易因負(fù)荷突變、制粉系統(tǒng)啟停、受熱面掉焦等原因發(fā)生局部超溫，甚至引起受熱面爆管。查閱發(fā)現(xiàn)高過第16屏第1—4根管子壁溫自9月17日鍋爐點(diǎn)火至9月19日前壁溫?zé)o超溫情況，排除鍋爐運(yùn)行中大面積超溫爆管的可能。

3.4 高過水塞

超超臨界1 000 MW直流鍋爐高過水塞事件危害極大，輕者會造成主汽溫大幅降低而危及汽輪機(jī)運(yùn)行，嚴(yán)重者導(dǎo)致過熱器管束內(nèi)蒸汽流動停滯、過熱器管瞬間超溫爆管。通過查閱相關(guān)資料，過熱器水塞主要發(fā)生在鍋爐升溫升壓階段或機(jī)組帶20%負(fù)荷時[2]。通過分析大修后機(jī)組的幾次啟停和運(yùn)行情況，調(diào)閱鍋爐首次點(diǎn)火啟動的歷史曲線，屏底煙溫最高為600 ℃，對應(yīng)的高過處煙溫在500～600 ℃之間，而高過材質(zhì)允許壁溫的上限值是649℃，排除了機(jī)組啟動過程中高過水塞導(dǎo)致過熱的可能。

3.5 高過異物堵塞

超超臨界鍋爐高過因異物堵塞而爆管是目前絕大多數(shù)機(jī)組在試運(yùn)行及正式運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)的問題[3]。本文重點(diǎn)對高過節(jié)流孔、氧化鐵皮堆積、減溫器運(yùn)行進(jìn)行相關(guān)檢查、確認(rèn)。

3.5.1 氧化皮檢測情況

超超臨界鍋爐工質(zhì)水動力特性變化會引起受熱面?zhèn)鳠崽匦缘母淖?，高溫受熱面易發(fā)生蒸汽側(cè)氧化腐蝕。其中超超臨界鍋爐受熱面因氧化皮生成、剝落堵塞管道引起超溫爆管的問題尤為嚴(yán)重[4]，威脅火電機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本次對鍋爐高過所有管排氧化皮堆積情況進(jìn)行了檢測，未發(fā)現(xiàn)氧化皮堆積現(xiàn)象，重點(diǎn)對已脹粗但未爆管和管子下彎頭處進(jìn)行了割管檢查，管子厚度較薄、致密完整，未見明顯剝落痕跡，無氧化皮堆積現(xiàn)象，排除了氧化皮堆積導(dǎo)致的堵塞爆管。

3.5.2 高過入口小集箱及脹粗超標(biāo)管節(jié)流孔異物排查情況

對鍋爐爐頂大包內(nèi)高過全部入口小集箱(共18個)割除手孔，進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查，未發(fā)現(xiàn)異物。

為防止內(nèi)窺鏡在小集箱內(nèi)看不清楚節(jié)流孔內(nèi)部的情況，將高過入口14—11，12—18排管自集箱下部T91管子處割開，對節(jié)流孔進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查，同時由割口處向下用內(nèi)窺鏡檢查管子內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)異物，高過節(jié)流孔內(nèi)窺鏡檢查情況如圖2所示。

圖2 高過節(jié)流孔內(nèi)窺鏡檢查

Fig.2 High temperature superheater orificeinspected by endoscope

3.5.3 高過熱器噴水減溫器檢查情況

對過熱器二級A，B側(cè)減溫器檢查時，發(fā)現(xiàn)混合管前部固定銷與混合管墊板結(jié)合部位受損，混合管晃動導(dǎo)致此處磨出橢圓孔(銷孔原直徑為34 mm，橢圓孔長軸達(dá)50 mm)，且在墊板的銷孔邊角擠壓出金屬翻邊薄片，如圖3所示。

圖3 A，B側(cè)二級減溫器圓銷孔磨損情況

Fig.3 The wearing of round pin hole on A, B sidesecondary desuperheater

割管檢查過熱器二級A，B兩側(cè)減溫器，發(fā)現(xiàn)最大的未脫落的金屬卷邊尺寸為30 mm×20 mm，大于高過管圈節(jié)流孔，且混合管沿減溫器長度方向的最大磨損量估算已達(dá)17 mm。過熱器二級A側(cè)噴水減溫器墊板清理出的金屬卷邊如圖4所示。

圖4 過熱器二級A側(cè)減溫器墊板清理出的 金屬卷邊

Fig.4 Metal crimping under the pad of superheatersecondary A side desuperheater

綜上檢測、分析，確定本次高過爆管的主要原因?yàn)檫^熱器二級噴水減溫器存在設(shè)計(jì)缺陷，混合管振動造成圓柱銷和混合管、噴管和混合管之間摩擦擠壓出金屬卷邊薄片，金屬薄片脫落后，跟隨汽流移動到高過入口節(jié)流孔處，導(dǎo)致被堵塞的管子蒸汽流通量減小，冷卻不足最終造成管壁過熱而爆管[5]。

4 對策制定及實(shí)施

根據(jù)本次高過爆管的原因分析，制定防止高過過熱爆管相關(guān)對策。

(1)割開鍋爐6個噴水減溫器(過熱器一級A，B側(cè)減溫器；過熱器二級A，B側(cè)減溫器；再熱器A，B側(cè)減溫器)入口管段進(jìn)行全面檢查，清理摩擦部位產(chǎn)生的金屬卷邊薄片。

(2)改進(jìn)鍋爐所有減溫器混合管固定方式，將減溫器圓柱銷和混合管進(jìn)行焊接，防止混合管移位。

(3)將鍋爐高過入口下部異種鋼材鋼管(?45 mm×8.2 mm，TP347HFG)焊口處向上3.5 m局部更換為? 45 mm×8.3 mm，SUP304H的管材。

(4)加強(qiáng)防磨防爆檢查管理，在機(jī)組檢修中對高溫再熱器、高過、屏式過熱器TP347HFG管子進(jìn)行全面檢查和蠕脹測量，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)管段及時更換。

5 結(jié)論

(1)本文針對某電廠超超臨界鍋爐高過爆管泄漏事故，深入研究分析，確定過熱器二級噴水減溫器設(shè)計(jì)缺陷為導(dǎo)致高過過熱爆管的主要原因。

(2)根據(jù)本次高過爆管原因，制定相關(guān)應(yīng)對措施，對國內(nèi)同類型超超臨界鍋爐防止高過爆管、安全運(yùn)行具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

(3)超超臨界鍋爐設(shè)計(jì)較多孔徑極小的節(jié)流孔，容易發(fā)生異物堵塞，從而造成管段局部超溫爆管，清潔度檢查時應(yīng)將節(jié)流孔作為重點(diǎn)檢查部位，消除爆管隱患。