劉紅欣，賈志軍

（1.北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100022；2.內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 豐鎮(zhèn) 012100）

0 引言

隨著碳中和、碳達(dá)峰戰(zhàn)略目標(biāo)的深度實(shí)施，火電的運(yùn)行模式愈發(fā)偏離傳統(tǒng)承擔(dān)基本負(fù)荷的運(yùn)行方式，越來(lái)越多地承擔(dān)了調(diào)峰功能。為實(shí)現(xiàn)新能源消納最大化，深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰成為火電機(jī)組日常生產(chǎn)的常態(tài)，在此期間較大地偏離了火電原來(lái)的安全運(yùn)行區(qū)間。在機(jī)組深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰的時(shí)候，鍋爐壁溫控制成為了難點(diǎn)，因鍋爐燃燒、磨煤機(jī)組合方式和運(yùn)行人員技術(shù)水平等原因造成汽溫波動(dòng)頻發(fā)和波動(dòng)大的特點(diǎn)，使得鍋爐受熱面因交變應(yīng)力、蠕變等原因造成管材提前失效。本文對(duì)一起深度調(diào)峰造成的后屏過熱器焊口開裂事故和機(jī)組啟動(dòng)過程中后屏過熱器發(fā)生水塞導(dǎo)致超溫爆管的案例進(jìn)行了分析，找出了原因并制定了相關(guān)措施。

1 設(shè)備介紹及泄漏點(diǎn)情況

爆管鍋爐的型號(hào)為SG2059-17.5-M915，是控制循環(huán)、四角切向燃燒、一次中間再熱、固態(tài)排渣的π型汽包爐。鍋爐過熱器系統(tǒng)包括的5級(jí)過熱器如圖1所示。后屏過熱器布置在分隔屏之后，共25屏，每屏由20根并聯(lián)套管組成，最外圈管子外徑60 mm，其余內(nèi)圈管子外徑均為54 mm，橫向節(jié)距762 mm，材料除最外圈底部及最內(nèi)圈繞管底部用不銹鋼SA-213 TP347H（FG）外，其余為15CrMoG、12Cr1MoVG、SA-213T91合金鋼[1-3]。為提高后屏過熱器自?shī)A屏底彎安全裕度，先將原后屏過熱器自?shī)A屏底彎管材由TP347H更換為TP347HFG，然后將彎曲半徑由163 mm調(diào)整為185 mm，泄漏管規(guī)格為d54 mm×8 mm。

圖1 鍋爐本體剖面圖

2 焊口開裂爆管原因分析

2.1 焊口開裂爆管情況

第一次爆管發(fā)生在后屏過熱器第23屏第20、第21根管，其中第21根管異種鋼（TP347HFG+12Cr1MoVG）焊口開裂約4/5周，泄漏管上下方進(jìn)行脹粗測(cè)量，數(shù)據(jù)均在54.1 mm以內(nèi)，最大脹粗率0.17%，第22排、24排管有明顯沖刷減薄形貌，對(duì)減薄管道測(cè)厚，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 后屏過熱器第22、24排管蒸汽沖刷減薄測(cè)試數(shù)據(jù)

自?shī)A屏底彎整體取下后檢查，U型彎底部未見氧化皮沉積或有其他異物存在，失效焊口剖開后發(fā)現(xiàn)，焊層較厚。對(duì)失效管件進(jìn)行光譜驗(yàn)證，12Cr1MoVG管各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Cr1.1%、Mo0.3%、V0.2%，TP347HFG管各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Cr17.7%、Ni10.9%、Nb0.33%，排除錯(cuò)用管材問題。對(duì)焊縫金屬進(jìn)行光譜驗(yàn)證，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Ni大于60%、Cr14.67%、Fe17.62%，焊接材料使用合規(guī)，且原始光譜驗(yàn)證報(bào)告合格，原始底片（橢圓成像法，單次透照）未有缺陷顯示。

剖開失效管后發(fā)現(xiàn)，TP347HFG側(cè)內(nèi)壁比較光滑，12Cr1MoVG側(cè)內(nèi)壁則有局部輕微氧化皮脫落，未見腐蝕坑、腐蝕孔出現(xiàn)，運(yùn)行中汽水品質(zhì)無(wú)異常工況發(fā)生，各項(xiàng)指標(biāo)控制優(yōu)良[4]。

2.2 首次爆管原因分析

首爆口沿異種鋼接頭12Cr1MoVG側(cè)熔合線分布，由于Ni基焊縫金屬與12Cr1MoVG材料的合金元素含量相差懸殊，在二者熔合線處形成了富C的脆性弱化區(qū)，導(dǎo)致焊口失效。同時(shí)，位于管子焊縫根部及外壁的焊縫熔合區(qū)域由于焊縫余高的存在形成了變截面的應(yīng)力集中，運(yùn)行過程中由于深度調(diào)峰負(fù)荷變化區(qū)間較大，管道承受較大的交變應(yīng)力，使得焊口熔合線附近承受低周疲勞載荷作用。

對(duì)爆口焊縫進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)其填充層大于2.5 mm（焊絲直徑），根據(jù)《火電廠焊接技術(shù)規(guī)程（DL/T 869—2012）》中對(duì)奧氏體不銹鋼及鎳基合金焊接“應(yīng)采取小線能量焊接，層間厚度不宜大于焊條（絲）直徑”的相關(guān)要求，判斷爆管原因?yàn)楹附淤|(zhì)量存在問題。

3 水塞爆管分析

第二次爆管為第一次爆管修復(fù)后機(jī)組啟動(dòng)期間，因后屏過熱器積水造成短期超溫導(dǎo)致后屏過熱器第22屏的第22和24根管爆管。

3.1 爆口宏觀形貌及分析

對(duì)爆漏的后屏過熱器爐管進(jìn)行宏觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)第22屏第17~24根管煙氣來(lái)向的進(jìn)汽管束有不同程度的變形和脹粗現(xiàn)象，第22屏第22根爐管沿卡塊部位爆漏開裂。第22屏第24根爐管在爆管后發(fā)生了較大的塑性變形導(dǎo)致其扭成麻花狀。2根管樣爆口均具有延性斷裂的特征，爆口開口較大，邊緣鋒利，爐管管徑有明顯脹粗，管壁厚度明顯減薄，爆口內(nèi)外表面比較光滑，附近無(wú)縱向裂紋，具有典型的短時(shí)過熱爆管特征。

第22屏17~24管煙氣來(lái)向的進(jìn)汽管束有不同程度的變形和脹粗現(xiàn)象，并伴有縱向裂紋，而蒸汽出口段未發(fā)現(xiàn)脹粗現(xiàn)象。

對(duì)后屏過熱器第7、21、20屏的第2彎，第12、24屏的第23彎等彎管進(jìn)行了射線透照抽查，未發(fā)現(xiàn)異物及氧化皮沉積現(xiàn)象。

3.2 顯微組織觀察分析

對(duì)爆漏的爐管取樣進(jìn)行顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)2根管樣爆口對(duì)側(cè)金相組織均為鐵素體+貝氏體，球化級(jí)別為2.0級(jí)，屬于輕度球化，組織未見明顯變形[5-6]。2根管樣爆口尖端微觀組織均出現(xiàn)明顯畸變，沿變形方向被拉長(zhǎng)，爆口附近區(qū)域因短時(shí)過熱管壁溫度急劇升高，爆管時(shí)管內(nèi)介質(zhì)對(duì)高溫管壁冷卻效果不足，爐管發(fā)生不完全相變，生成不完全相變組織，如圖2—圖5所示。屏過熱器爐管化學(xué)成分符合要求，排除錯(cuò)用材質(zhì)導(dǎo)致爆管。后屏過熱器爐管各項(xiàng)常溫力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。后屏過熱器第22屏第22根爐管沿卡塊部位爆漏開裂，第22屏第24根爐管在爆管后發(fā)生了較大的塑性變形導(dǎo)致其扭成麻花狀。2根管樣爆口均具有延性斷裂的特征，爆口開口較大，邊緣鋒利，爐管管徑有明顯脹粗，管壁厚度明顯減薄，爆口內(nèi)外表面比較光滑，附近無(wú)縱向裂紋，具有典型的短時(shí)過熱爆管特征。

圖2 第22根爐管爆口對(duì)側(cè)微觀組織形貌

圖3 第22根爐管爆口尖端微觀組織形貌

圖4 第24根爐管爆口對(duì)側(cè)微觀組織形貌

圖5 第24根爐管爆口尖端微觀組織形貌

綜上，第二次爆漏的2根管子是因?yàn)槎虝r(shí)過熱，導(dǎo)致材料強(qiáng)度明顯下降，爐管在內(nèi)部高溫介質(zhì)壓力作用下發(fā)生塑性變形，管徑脹粗，管壁減薄，最終爆破泄漏。其中，后屏過熱器第22屏第22根爐管，因外壁卡塊部位存在應(yīng)力集中，管子脹粗時(shí)沿此處撕裂爆漏，破口較大。

3.3 后屏爐管短期超溫原因分析

鍋爐啟動(dòng)過程中當(dāng)屏底煙溫大于對(duì)應(yīng)管壁極限溫度且管束內(nèi)蒸汽流量不足，不能滿足受熱面冷卻需求時(shí)，就會(huì)發(fā)生短期超溫爆管。蒸汽流量不足的主要原因，一是檢修遺留物或其他異物堵塞管道，二是受熱面水塞堵塞管道[7-9]。

3.4 短期超溫爆管原因分析

機(jī)組啟動(dòng)過程中存在以下3個(gè)異常現(xiàn)象[10]，一是鍋爐汽包壓力和過熱器壓力升高不同步，過熱蒸汽壓力較汽包壓力先行升高，正常情況下是水冷壁內(nèi)爐水受熱汽化，汽包壓力升高，隨著進(jìn)入過熱器的蒸汽增多而使過熱器系統(tǒng)壓力增加；二是鍋爐汽包壓力和爐水溫度不匹配，爐水溫度未達(dá)到飽和溫度汽包就已經(jīng)開始升壓；三是升溫升壓過程中減溫水無(wú)變化的情況下后屏過熱器出口汽溫有突降現(xiàn)象，以上現(xiàn)象均說(shuō)明后屏過熱系統(tǒng)內(nèi)存在積水。

綜合分析認(rèn)為，后屏過熱器第22屏第17~24

管蒸汽上升段可能有積水，造成其煙氣來(lái)向的管束蒸汽流動(dòng)停滯，造成局部超溫從而爆管。

3.5 水塞形成原因分析

第一次鍋爐后屏過熱器爆管緊急停爐后鍋爐帶壓放水控制參數(shù)控制不合理，汽包壓力0.3 MPa放水，規(guī)程要求汽包壓力0.8 MPa放水，鍋爐余熱不能將受熱面有效烘干，造成受熱面積水。

另外，機(jī)組啟動(dòng)過程中，一級(jí)過熱器減溫水控制不合理，使得后屏出口汽溫達(dá)到飽和溫度，造成后屏過熱器積水增多。

3.6 爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)不均衡

由于低負(fù)荷期間爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)不平衡，甲側(cè)煙氣流量小、煙溫低，啟動(dòng)初期加熱效果差，受熱面內(nèi)積水不能完全汽化，隨著D磨煤機(jī)啟動(dòng)后，爐內(nèi)溫度場(chǎng)變化，造成甲側(cè)溫度由510℃急劇升高至630℃，達(dá)到鍋爐受熱面12Cr1MoVG的極限溫度，加之第22屏只有第4根管有壁溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，所以無(wú)法及時(shí)檢測(cè)壁溫變化，導(dǎo)致后屏受熱面短期超溫爆管。

4 結(jié)論及措施

a）機(jī)組啟動(dòng)嚴(yán)格控制鍋爐燃燒率，通過控制燃燒控制爐膛出口煙溫，從而控制受熱面壁溫，在機(jī)組并網(wǎng)前嚴(yán)禁噴水降溫。

b）機(jī)組啟動(dòng)過程中嚴(yán)密監(jiān)視汽包壓力和過熱器壓力關(guān)系，密切監(jiān)視過熱蒸汽溫度是否有突降現(xiàn)象，判斷受熱面是否積水，若有采用突開旁路的方法利用差壓將受熱面積水帶走。

c）優(yōu)化受熱面溫度測(cè)點(diǎn)布置，消除易超溫部位的監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)。

d）優(yōu)化空氣動(dòng)力場(chǎng)，爐內(nèi)煤粉著火充分，煙氣流動(dòng)均勻，減少受熱面熱偏差。

e）鍋爐停爐后要嚴(yán)格執(zhí)行鍋爐熱爐帶壓放水規(guī)定。

f）加大異種鋼焊口的排查比例，并對(duì)奧氏體異種鋼焊縫每年進(jìn)行割管檢驗(yàn)，對(duì)奧氏體異種鋼焊縫的監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)間提前。