張立新

（國家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

國家大力推進能源清潔化改革，太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電裝機容量迅速增長，致使電網(wǎng)調(diào)峰困難，現(xiàn)役火電機組須提高深度調(diào)峰能力以及靈活性［1］。各發(fā)電企業(yè)深挖機組調(diào)峰潛力，努力拓寬大型燃煤機組的調(diào)峰范圍，調(diào)峰成為大型燃煤機組面臨的長期任務(wù)［2］。機組調(diào)峰相對基本負荷機組而言意味著更頻繁的負荷變化和啟停，對于金屬監(jiān)督部件而言，內(nèi)部或外部介質(zhì)壓力溫度變動頻繁，高速轉(zhuǎn)動部件振動加劇，失效過程加速。結(jié)合近年來調(diào)峰火電機組金屬監(jiān)督工作實踐及國內(nèi)外同行的研究成果，對典型金屬監(jiān)督部件的工作特點、應(yīng)力分布、失效形式、監(jiān)督特點予以簡析，依據(jù)斷裂與失效理論對失效案例進行了理論分析，總結(jié)得出調(diào)峰對火電機組安全性影響的四種基本失效形式：1）熱疲勞；2）機械疲勞；3）沖刷減薄、超溫、高溫腐蝕、氧化皮脫落等；4）厚壁承壓部件熱疲勞與機械疲勞疊加。通過分析總結(jié)，期待為金屬監(jiān)督及防磨防爆工作提供參考。

1 調(diào)峰對火電機組安全性影響的理論分析

1.1 熱疲勞

調(diào)峰機組高溫高壓部件承受的溫度參數(shù)變化頻繁，頻繁變化的溫度使金屬材料產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，交變熱應(yīng)力引起熱疲勞。

在彈性范圍內(nèi)，熱應(yīng)力為［3］

式中：K為與約束條件相關(guān)的系數(shù)；E為彈性模量；a為熱膨脹系數(shù)；ΔT為熱循環(huán)溫度變化幅度。

由式（1）知，熱應(yīng)力與鋼彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等物理性能有關(guān)。材料一定，鋼熱疲勞強度取決于材料顯微組織、塑性、工作條件。工作條件包括熱循環(huán)最高溫度、最低溫度和溫度變化幅度ΔT。ΔT決定熱應(yīng)變，故產(chǎn)生一定深度裂紋的循環(huán)次數(shù)取決于ΔT。材料的熱疲勞強度隨著ΔT的增加而下降。ΔT不變，平均溫度提高熱疲勞強度也降低。

1.2 機械疲勞

溫度壓力變化也會引起管道膨脹收縮、機械振動等，交變機械應(yīng)力導(dǎo)致機械疲勞裂紋。據(jù)部件失效前載荷交變次數(shù)的多少，機械疲勞分為低周疲勞（10 000 次以下）和高周疲勞（10 000 次以上）。裂紋源一般位于零件表面的應(yīng)力集中處和缺陷處。

應(yīng)力集中在部件機械疲勞失效中起關(guān)鍵作用。引起應(yīng)力集中的因素通常為［4］：

1）急劇變化的截面：構(gòu)件中的臺階、管孔、缺口、鍵槽等。

2）集中力作用：閥門中承受閥芯沖擊的閥座、支吊架支撐的管道。

3）材料本身不連續(xù)性：大型鑄件中的白點、疏松、夾雜、氣孔、裂紋；焊接接頭材質(zhì)、組織與母材不同，應(yīng)力集中于熔合線附近；異種鋼焊接接頭，焊接缺陷。

4）由于強拉伸、冷加工、熱處理、焊接，構(gòu)件在制造或裝配過程中引起的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力疊加工作應(yīng)力后，可能出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。

1.3 沖刷減薄

為了降低發(fā)電成本，鍋爐一般采用配煤摻燒，煙氣中飛灰增加，受熱面積灰嚴(yán)重，吹灰頻繁，受熱面磨損加劇；貧煤和無煙煤的加入使鍋爐尾部煙氣溫度升高，超溫、部分管段氧化皮脫落的風(fēng)險增加，減溫水投入頻繁；高硫分煤的加入造成爐膛受熱面高溫腐蝕；為滿足環(huán)保要求，鍋爐采用脫硝系統(tǒng)，發(fā)生故障的尿素溶液噴槍會沖刷腐蝕受熱面。

1.4 厚壁承壓部件

厚壁部件與中薄壁部件相比，殘余應(yīng)力狀態(tài)改變，厚度方向殘余應(yīng)力加大，疲勞強度、斷裂韌度等降低，其運行時內(nèi)外壁存在較大溫差，負荷變化時溫差進一步變大，熱應(yīng)力、熱應(yīng)變增加，產(chǎn)生熱疲勞。頻繁的負荷變化使部件內(nèi)外壁承受交變拉壓應(yīng)力，交變應(yīng)力在部件的應(yīng)力集中處造成機械疲勞。

2 調(diào)峰火電機組的金屬監(jiān)督要點分析

2.1 汽包

汽包是自然循環(huán)、強制循環(huán)鍋爐的核心部件。汽包工作壓力大、生產(chǎn)過程復(fù)雜、結(jié)構(gòu)剛性大、焊縫多，內(nèi)部存在較大殘余應(yīng)力。機組啟停及變負荷運行過程中溫度、壓力參數(shù)快速變化，加上汽包自重、蓄熱能力和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各種開孔導(dǎo)致熱應(yīng)力和機械應(yīng)力更為復(fù)雜。

2.1.1 汽包應(yīng)力概況及主要失效形式

對汽包的應(yīng)力分析主要針對機械應(yīng)力和熱應(yīng)力，這兩種應(yīng)力變化幅度最顯著。機械應(yīng)力包括啟停過程中的汽壓升降及水壓試驗引起的應(yīng)力、正常運行下的蒸汽內(nèi)壓力；熱應(yīng)力包括：1）因汽包壁溫差產(chǎn)生的穩(wěn)定熱應(yīng)力；2）個別部位由壁溫波動引起的交變熱應(yīng)力［5］。調(diào)峰機組啟停頻繁，工況變動劇烈，汽包在此條件下運行產(chǎn)生交變應(yīng)力的峰值，超過所使用材料的疲勞極限或者屈服極限，造成疲勞損傷。根據(jù)式（1），啟停爐的溫度變化越快，熱應(yīng)力越大，越容易形成疲勞裂紋。在汽包失效形式中，低周疲勞損傷是汽包的主要失效形式。

2.1.2 汽包低周疲勞損傷的主要監(jiān)控部位

1）機械應(yīng)力最大處。美國機械工程師協(xié)會（ASME）規(guī)范和相關(guān)文獻［6-7］認為的最危險工作點，是具有最大的機械應(yīng)力集中系數(shù)的汽包縱向截面與下降管接合處內(nèi)轉(zhuǎn)角，該點應(yīng)是汽包應(yīng)力的監(jiān)測點。

2）熱應(yīng)力最大處。汽包水位線波動處是最大熱應(yīng)力位置［6，8］。

3）焊縫等應(yīng)力集中處。汽包縱環(huán)焊縫、各種連接管座焊縫、結(jié)構(gòu)件焊縫容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是需要關(guān)注的監(jiān)督部位。

2.1.3 汽包壽命影響因素

汽包的升溫率、材料、結(jié)構(gòu)都會對汽包壽命產(chǎn)生影響，應(yīng)在設(shè)計階段根據(jù)汽包所承擔(dān)的負荷類型優(yōu)選材料和結(jié)構(gòu)，這是汽包壽命最重要的影響因素。升溫率直接影響汽包壽命損耗，已投運的鍋爐為達到最佳的經(jīng)濟效益應(yīng)確定最優(yōu)的升溫率來減小汽包壽命消耗和冷態(tài)啟動過程總成本［9］。

2.2 高溫聯(lián)箱和管道

2.2.1 環(huán)焊縫

厚壁聯(lián)箱、管道部分或全部焊口安裝時須在現(xiàn)場施焊、熱處理，對于厚壁聯(lián)箱、管道，現(xiàn)場去除焊接殘余應(yīng)力比較困難。按現(xiàn)有的熱處理規(guī)程，在焊接過程中若不采取降低殘余應(yīng)力的措施，不足以將焊接殘余應(yīng)力減小到安全的程度，運行過程中或因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生裂紋。裂紋源很可能是焊接缺陷如坡口未熔合、微裂紋等。

環(huán)焊縫熔合線附近的粗晶區(qū)是焊縫結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，監(jiān)督中應(yīng)著重關(guān)注。

2.2.2 管座角焊縫

1）疏水管、儀表管、受熱面管。儀表管、疏水管座角焊縫開裂一種情況是因為管系設(shè)計不合理，管子膨脹受阻在管座連接焊縫處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力［10］，另一種情況是因為管座焊縫處引出管角變形嚴(yán)重，殘余應(yīng)力過大。

受熱面管座在聯(lián)箱開孔處形成了應(yīng)力集中區(qū)。因聯(lián)箱壁厚較厚，管座與聯(lián)箱內(nèi)壁間的熱應(yīng)力不可避免。若受熱面管膨脹受約束，膨脹產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用在角焊縫上會引起疲勞開裂［11］。若介質(zhì)溫度變化頻繁，聯(lián)箱管孔及管座也會發(fā)生熱疲勞。如圖1和圖2 所示，高溫再熱器入口集箱筒體外表及內(nèi)壁開裂。

2）安全閥管座角焊縫、吊架焊接吊耳。由于受機組啟停和安全閥試驗等影響，安全閥管座焊縫及其附近容易產(chǎn)生疲勞損壞［12］。如圖3和圖4所示，過熱器向空排汽與再熱器安全閥管座焊縫開裂。

吊架部件失效，使聯(lián)箱膨脹受阻，吊耳在聯(lián)箱處的角焊縫在交變應(yīng)力作用下形成裂紋源。

圖1 高溫再熱器入口集箱甲側(cè)管孔間筒體裂紋

圖2 高溫再熱器入口集箱甲側(cè)管孔間筒體內(nèi)壁龜裂紋（點劃線區(qū)域）

圖3 過熱器向空排汽管座裂紋

圖4 再熱器集汽集箱安全閥管座裂紋

2.2.3 向空排汽管座

若聯(lián)箱向空排汽管系設(shè)計有水平段且管系過長，不排汽時，蒸汽會在管系內(nèi)壁凝結(jié)，凝結(jié)水倒流回聯(lián)箱，在排汽管座處產(chǎn)生交變熱應(yīng)力形成熱疲勞裂紋。如圖5所示，再熱器向空排汽管座內(nèi)部開裂。

2.3 高溫高壓閥門和汽缸

電廠高溫高壓閥門、汽缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚大且不均勻，大多數(shù)是鑄件。鑄件殘余應(yīng)力的釋放是一個漫長的過程，最長可伴隨服役期。鑄件中存在一些如裂紋、疏松、夾砂、氣孔、夾渣等原始缺陷引起了應(yīng)力集中，形成了裂紋源。在蒸汽參數(shù)波動以及機組啟停過程中，因壁厚原因，汽缸、閥門殼體將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力與蒸汽應(yīng)力、殘余應(yīng)力疊加，促使裂紋擴展失穩(wěn)。門桿、閥座還承受負荷變動頻繁時閥門頻繁開關(guān)產(chǎn)生的交變機械應(yīng)力。

高溫高壓閥門失效的主要形式有：

1）殼體內(nèi)壁開裂［13-15］；

2）殼體外壁開裂，如圖6所示；

圖5 再熱器向空排汽管座裂紋

圖6 主汽門殼體外表裂紋

3）門桿開裂［16］；

4）閥座開裂［17］，硬質(zhì)合金密封面加速老化，產(chǎn)生裂紋和碎裂；

5）閥門焊縫開裂［18］。

汽缸裂紋產(chǎn)生的部位主要是結(jié)合面及缸體應(yīng)力集中處，如螺栓孔間，尖角處。開裂原因涉及設(shè)計、制作工藝、運行等因素。如圖7，尚未運行的高壓內(nèi)上缸缸體開裂。

2.4 噴水減溫器

2.4.1 噴水減溫器損壞的基本形式

減溫器噴嘴既承受高溫蒸汽加熱，又承受低溫減溫水的快冷，材料易產(chǎn)生熱疲勞［19-21］；減溫器噴嘴本身的結(jié)構(gòu)問題易產(chǎn)生的機械疲勞［22-23］。再熱器集箱連接管彎頭開裂［24］、因減溫器套筒定位銷釘脫落而堵塞高溫再熱器管造成爆管［25］、因鍋爐啟動過程中減溫水投用不當(dāng)致使超（超）臨界機組鍋爐高溫爐管內(nèi)壁氧化皮剝落堵塞而引起的受熱面過熱爆管［26］等事故頻頻發(fā)生。

如圖8 所示，過熱器三級減溫器噴水管座角焊縫外表面開裂3 處（黑色記號筆標(biāo)記處）、減溫器筒體泄漏。紅色虛線顯示位置為筒體內(nèi)部龜裂紋。

2.4.2 噴水減溫器損壞的原因

1）減溫器結(jié)構(gòu)不合理。因燃煤摻配、鍋爐適應(yīng)性等原因，調(diào)峰機組噴水減溫器實際使用頻率遠高于設(shè)計預(yù)期。懸臂式的噴管較兩端固定的噴管，一方面存在熱疲勞損壞，一方面有發(fā)生共振的可能，此結(jié)構(gòu)壽命偏低。

圖7 新高壓內(nèi)上缸缸體外表裂紋

圖8 過熱器三級減溫器裂紋

2）汽溫自動控制邏輯存在問題。鍋爐過熱蒸汽、再熱蒸汽汽溫調(diào)節(jié)主要靠自動化高、調(diào)節(jié)靈敏的噴水減溫方式。但根據(jù)實際運行情況分析，汽溫自動控制邏輯存在很多問題，不能保證機組安全經(jīng)濟運行。應(yīng)進一步梳理汽溫自動控制邏輯，以減小減溫水量、有序投入減溫水、盡量減少出口蒸汽溫差為原則，避免汽溫頻繁劇烈波動。

3）應(yīng)考慮對鍋爐受熱面進行改造。為了機組安全及適應(yīng)市場競爭，對于設(shè)計煤種變動的鍋爐，應(yīng)考慮對受熱面、燃燒器等進行靈活性改造，避免負荷上不去、汽溫調(diào)節(jié)手段失效的情況發(fā)生。

2.5 汽輪機轉(zhuǎn)子

2.5.1 大軸

汽輪機大軸應(yīng)力集中部位主要是調(diào)速級及汽封處、圓角處。大軸開裂的可能原因有：調(diào)峰機組頻繁啟停，暖機、冷卻時間不足，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力加大；機組超速試驗時轉(zhuǎn)子離心力加大，使轉(zhuǎn)子裂紋加劇；轉(zhuǎn)子失去動平衡引起機組振動大，長期運行造成金屬疲勞，引發(fā)轉(zhuǎn)子裂紋；在轉(zhuǎn)子加平衡塊過程中，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，機組需要保持真空，汽封供汽不停，處于靜止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)子局部受熱，膨脹不均勻，產(chǎn)生較大熱應(yīng)力［27］。

2.5.2 動葉片

裂紋源一般位于低壓轉(zhuǎn)子末幾級動葉片出汽側(cè)的應(yīng)力集中處，高壓轉(zhuǎn)子末級葉片裂紋少見。引起應(yīng)力集中的因素排除水沖擊，可能是葉型設(shè)計原因，葉片加工工藝不良［28］，也可能是蒸汽品質(zhì)不佳造成葉片汽蝕［29］、安裝緊力不足導(dǎo)致葉片振動［30-31］、葉片裝配時圍帶間隙太小使葉片與圍帶的預(yù)應(yīng)力過大造成疲勞［32］、設(shè)計原因等。實際中大多數(shù)葉片失效原因是以上多種因素綜合作用。圖9 為330 MW 汽輪機低壓反向次次末級動葉片開裂。

圖9 低壓轉(zhuǎn)子反向次次末級葉片開裂

2.5.3 動葉鉚接圍帶

按結(jié)構(gòu)分，圍帶主要有裝配圍帶和自帶冠圍帶兩種，本節(jié)僅討論動葉鉚接圍帶。

汽機沖轉(zhuǎn)、汽溫變化造成動靜摩擦、油膜失穩(wěn)等因素都會引起轉(zhuǎn)子振動傳導(dǎo)到圍帶上；同級葉片膨脹不均引起圍帶拉壓應(yīng)力；裝配時鉚釘孔不規(guī)則、存在應(yīng)力集中及緊力過大等會導(dǎo)致圍帶在運行中釋放應(yīng)力出現(xiàn)裂紋［33-34］。長期運行后圍帶同鉚釘頭之間產(chǎn)生間隙，圍帶同葉頂肩部產(chǎn)生間隙，在工況突變的情況下導(dǎo)致圍帶脫落［35］。圖10 為330 MW 汽輪機低壓反向次次末級動葉圍帶開裂。

圖10 低壓轉(zhuǎn)子反向次次末級動葉圍帶開裂

2.6 受熱面

調(diào)峰機組鍋爐除了啟停頻繁、負荷波動大容易引起應(yīng)力集中處疲勞損壞外，還存在燃料摻燒后受熱面超溫和高溫腐蝕的風(fēng)險。

2.6.1 帶鰭片的受熱面

如隔墻省煤器、膜式水冷壁、包覆（墻）過熱器等，在出入口聯(lián)箱處垂直的管子因鰭片約束膨脹不暢，近聯(lián)箱側(cè)管子端部與鰭片間的焊縫存在應(yīng)力集中，在交變膨脹應(yīng)力作用下造成疲勞損壞；鍋爐風(fēng)道與水冷壁的焊接處、冷灰斗四角位置的水冷壁、包墻管的人孔門與各類開孔部位、爐頂穿墻無套管保護的蒸汽管，也存在膨脹撕裂的可能。

2.6.2 蒸汽吹灰、脫硝噴槍影響區(qū)域

吹灰頻繁、吹灰器故障無法退出運行會造成受熱面過度吹損；脫硝噴槍故障后液體泄漏會造成影響區(qū)域的省煤器、水冷壁及包墻過熱器、再熱器沖刷腐蝕，圖11 為被尿素腐蝕減薄后泄漏的高溫再熱器彎管。

圖11 被尿素腐蝕減薄后泄漏的高溫再熱器彎管

2.6.3 高溫腐蝕處

高硫分燃料易引起水冷壁、屏式過熱器、高溫過熱器和高溫再熱器等部位的高溫腐蝕。腐蝕后的受熱面壁厚減薄、應(yīng)力增大，產(chǎn)生蠕變后管壁進一步變薄，最終爆管。

2.6.4 氧化皮脫落

超（超）臨界機組鍋爐在運行中存在氧化皮脫落堆積現(xiàn)象。氧化皮脫落會造成所在管段熱循環(huán)變差或中斷，造成超溫。原因是設(shè)計時對此類材料抗氧化許用溫度選用裕度不足、制造工藝不當(dāng)、運行時超溫及汽水品質(zhì)不良等［36］。

2.6.5 超溫管段

燃料摻燒、深度調(diào)峰后受熱面超溫概率提高。特別是低熔點燃料的飛灰在受熱面結(jié)焦后也會造成受熱面超溫。受熱面長時超溫與短時超溫都會引發(fā)爆管事故，應(yīng)加強對受熱面溫度的監(jiān)控、記錄，必要時改造受熱面。

2.6.6 相互接觸和摩擦部位

屏式過熱器管卡（梳形板、固定管排的管子）處、爐頂穿墻管、受熱面與懸吊管接觸處等，在負荷變動時會有相對摩擦碰撞，防磨防爆檢查時應(yīng)著重關(guān)注。

2.6.7 壁式再熱器

壁式再熱器設(shè)計不良，沒有充分考慮管排膨脹受阻的情況，膨脹受阻后在固定鋼板及壁再管排間固定焊縫等應(yīng)力集中產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，進而撕裂壁再管。

2.7 吸（引增合一）風(fēng)機

引風(fēng)機振動超標(biāo)是運行中常見的故障現(xiàn)象，振動超標(biāo)會引起電機電流過大、軸彎曲、軸承損壞、機殼和風(fēng)道系統(tǒng)被破壞等嚴(yán)重問題。風(fēng)機設(shè)計制造不良、基礎(chǔ)不牢下沉、安裝問題、葉片積灰、葉片磨損、軸承損壞、電機故障、引風(fēng)道系統(tǒng)振動等都會造成風(fēng)機振動超標(biāo)［37］。導(dǎo)葉片根部、軸承下支撐焊縫等應(yīng)力集中部位經(jīng)常因風(fēng)機振動過大而開裂。圖12 中白色反差劑所示為引增合一風(fēng)機轉(zhuǎn)子組支撐軸瓦及支撐板焊縫開裂區(qū)域。

圖12 吸風(fēng)機轉(zhuǎn)子組支撐端瓦及支撐板焊縫開裂

2.8 高溫緊固件

調(diào)峰機組高溫緊固件受到頻繁的交變應(yīng)力作用。除工作應(yīng)力外，檢修時的不當(dāng)拆卸如大錘沖擊、乙炔火焰烘烤、超溫的電加熱都會對螺栓造成不可逆的損壞：大錘沖擊會造成螺栓外部受損，形成應(yīng)力集中；失控的加熱會造成螺栓組織性能變差。這些損傷在機組調(diào)峰時形成安全隱患。高溫緊固件常見失效位置有：螺栓栽絲端第2～3 圈、螺栓腰部、螺栓加熱孔內(nèi)部、經(jīng)火焰烘烤的螺母。

3 結(jié)語

調(diào)峰機組啟動頻繁、負荷波動大，金屬監(jiān)督部件更易發(fā)生熱疲勞、機械疲勞、吹損、腐蝕、過熱等損傷，失效加速。

在機組運行中應(yīng)保持參數(shù)平穩(wěn)，按溫升曲線控制增減負荷的速度，嚴(yán)格控制重要監(jiān)督部件的溫差；盡可能減少鍋爐的滅火次數(shù)及變負荷調(diào)峰和啟停調(diào)峰次數(shù)；金屬監(jiān)督和受熱面防磨防爆工作中做到有針對性，建立監(jiān)督部件數(shù)據(jù)庫，列出重點檢查部位計劃，縮短檢查周期，做到檢查部位全覆蓋；建設(shè)金屬監(jiān)督大數(shù)據(jù)，形成系統(tǒng)內(nèi)乃至全國統(tǒng)一的數(shù)據(jù)云平臺，達到信息共享、互通有無的目的。