劉俊國(guó)

(華電能源牡丹江第二發(fā)電廠，黑龍江 牡丹江 157015)

0 引言

火力發(fā)電廠鍋爐爐外管的漏泄與否是衡量鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)。國(guó)電發(fā)［2000］589號(hào)文《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》3．4．1條規(guī)定:加強(qiáng)對(duì)爐外管道的巡視，對(duì)管系振動(dòng)、水擊等現(xiàn)象應(yīng)分析原因并及時(shí)采取措施。當(dāng)爐外管道出現(xiàn)漏汽和漏水現(xiàn)象時(shí)，必須查明原因并采取措施，若不能與系統(tǒng)隔離進(jìn)行處理，應(yīng)立即停爐。

HG－670－13．7－YM9型鍋爐#1～#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管彎頭的工作溫度為540℃，工作壓力為2．5MPa，內(nèi)部介質(zhì)為高溫再熱蒸汽。由于設(shè)計(jì)上存在一定缺陷，#1～#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管內(nèi)經(jīng)常有凝結(jié)水形成，對(duì)管壁產(chǎn)生熱應(yīng)力，管壁金屬組織在熱應(yīng)力的作用下不斷發(fā)生變化最終形成裂紋發(fā)生漏泄。#1～#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管彎頭頻繁漏泄直接影響了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行并造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，給鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患。因此，有必要對(duì)#1～#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管彎頭漏泄原因進(jìn)行分析并加以改進(jìn)。徹底解決#1～#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管彎頭頻繁漏泄的問(wèn)題。

1 再熱器出口安全門導(dǎo)汽管彎頭頻繁漏泄原因分析

HG－670－13．7－YM9型鍋爐#1～#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管布置在高溫段再熱器出口管道上，其中，#1，#3再熱器出口安全門導(dǎo)汽管布置在甲側(cè)高溫段再熱器出口管道上，#2，#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管共4根，導(dǎo)汽管布置在乙側(cè)高溫段再熱器出口管道上，其出口端是#1～#4再熱器出口安全門。導(dǎo)汽管的規(guī)格是?219mm×8mm，材質(zhì)為12Cr1MoV，工作溫度為 540℃，工作壓力為 2．5 MPa。在鍋爐正常運(yùn)行的情況下，#1～#4再熱器出口安全門處于關(guān)閉狀態(tài)。

1．1 熱疲勞現(xiàn)象

在鍋爐運(yùn)行時(shí)，再熱器出口安全門導(dǎo)汽管入口處的溫度為540℃(即高溫段再熱器出口管內(nèi)高溫再熱蒸汽的溫度)，由于#1～#4再熱器出口安全門處于嚴(yán)密關(guān)閉狀態(tài)，安全門附近導(dǎo)氣管內(nèi)的再熱蒸汽是靜止不動(dòng)的，受外界冷空氣的影響，再熱蒸汽的熱量散發(fā)到周圍的冷空氣中，溫度逐漸降低到接近生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)的溫度(50～60℃)。隨著溫度的降低，會(huì)有一部分再熱蒸汽變成凝結(jié)水順著導(dǎo)氣管內(nèi)壁流下，留出的空間由新的再熱蒸汽補(bǔ)充。隨著時(shí)間的推移和熱量的損失，新的再熱蒸汽又產(chǎn)生新的凝結(jié)水順著導(dǎo)氣管內(nèi)壁流下。就這樣周而復(fù)始地形成凝結(jié)水，源源不斷地順著導(dǎo)氣管內(nèi)壁流下。當(dāng)凝結(jié)水下溜至導(dǎo)汽管水平段時(shí)，匯集在一起，這時(shí)的導(dǎo)氣管內(nèi)既有再熱蒸汽，又有凝結(jié)水。由于再熱蒸汽和凝結(jié)水的密度不同，會(huì)產(chǎn)生重度差，在重力的作用下，形成汽水分層現(xiàn)象，如圖1所示。導(dǎo)氣管上部為再熱蒸汽、下部為凝結(jié)水，管中的水面在m位置和n位置之間波動(dòng)，當(dāng)水面波動(dòng)到m位置時(shí)，m，n之間為水，由于水的導(dǎo)熱系數(shù)大，使金屬m，n部分溫度不會(huì)很高。當(dāng)水面波動(dòng)到位置n時(shí)，m，n之間為蒸汽，蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使得m，n段金屬溫度升高。導(dǎo)汽管中的水面在m，n段上、下進(jìn)行變化，可以認(rèn)為是周期性的波動(dòng)，此段金屬的溫度也發(fā)生周期性的變化。這樣就會(huì)在導(dǎo)汽管中產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，使導(dǎo)汽管發(fā)生熱疲勞破壞，造成金屬熱疲勞。在再熱器出口安全門導(dǎo)汽管某些薄弱地方就會(huì)出現(xiàn)沿晶裂紋或者穿晶裂紋而發(fā)生漏泄。

圖1 導(dǎo)汽管內(nèi)凝結(jié)水的形成及汽、水分層現(xiàn)象

1．2 工作條件的影響

對(duì)于12Cr1MoV鋼來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)于熱疲勞的影響較大，主要是最高溫度tmax、最低溫度tmin、溫度變化幅度Δt和平均溫度tm等因素，熱應(yīng)變?nèi)Q于循環(huán)溫度幅度，故產(chǎn)生一定深度裂紋的次數(shù)取決于循環(huán)溫度幅度，如圖2所示。隨著循環(huán)溫度幅度的增加，材料的熱疲勞強(qiáng)度下降。熱循環(huán)上限溫度對(duì)熱疲勞強(qiáng)度影響很大。對(duì)12Cr1MoV鋼的試驗(yàn)表明，隨著tmax的提高，熱疲勞強(qiáng)度迅速降低。當(dāng)tmax值足以引起組織變化時(shí)，影響就更大。若Δt不變，平均溫度提高，熱疲勞強(qiáng)度也降低。

圖2 試驗(yàn)溫度對(duì)12Cr1MoV鋼熱疲勞強(qiáng)度影響

在圖2中，溫度幅度的影響ta=t2-t1，平均溫度的影響tm=1/2(t2-t1)。

12Cr1MoV鋼在高溫下應(yīng)力松弛顯著，塑性變形增加。高溫保持時(shí)間增加，熱疲勞壽命降低。最高溫度下的保持時(shí)間影響更大，因?yàn)樵诟邷叵卵h(huán)塑性變形促使12Cr1MoV鋼析出相沿晶界析出的過(guò)程加快，最終使再熱出口安全門導(dǎo)氣管管壁產(chǎn)生裂紋而發(fā)生漏泄。

1．3 合金鋼物理性能的影響

12Cr1MoV鋼在彈性范圍內(nèi)，熱應(yīng)力σ為

式中:E為彈性模量;α為熱膨脹系數(shù);Δt為熱循環(huán)上、下溫度差;K為與約束條件有關(guān)的系數(shù)。

12Cr1MoV鋼的彈性模量 E=2．1×105MPa，熱膨脹系數(shù) α=1．28×10－5/℃(當(dāng)溫度小于 600℃時(shí))，當(dāng)熱循環(huán)的上、下溫度差Δt=340℃，約束系數(shù)K=1時(shí)，其熱應(yīng)力σ=914MPa，該應(yīng)力值已經(jīng)超過(guò)高溫下鋼的屈服點(diǎn)，從而產(chǎn)生塑性變形，熱應(yīng)力σ隨溫度差Δt變化數(shù)值表見(jiàn)表1。

表1 熱應(yīng)力σ隨溫度差Δt變化數(shù)值

由上式可知，熱應(yīng)力的大小與12Cr1MoV鋼的彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等物理性能有關(guān)。大的熱膨脹系數(shù)對(duì)熱疲勞強(qiáng)度是不利的。即熱膨脹系數(shù)越大受到的約束應(yīng)力也就越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力相應(yīng)增大，12Cr1MoV鋼在多次熱應(yīng)力循環(huán)作用下金屬組織就會(huì)引起破壞。最終使再熱器出口安全門導(dǎo)氣管管壁產(chǎn)生裂紋而發(fā)生漏泄。

綜上所述，再熱器出口安全門導(dǎo)汽管漏泄的主要原因是導(dǎo)氣管內(nèi)的溫度差超大，對(duì)導(dǎo)氣管管壁產(chǎn)生了過(guò)大的交變熱應(yīng)力，造成12Cr1MoV鋼金屬組織的熱疲勞，隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)生管壁金屬裂紋而發(fā)生漏泄。

2 改進(jìn)措施

再熱器出口安全門導(dǎo)汽管彎頭金屬裂紋的主要原因是溫差過(guò)大而產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，造成金屬熱疲勞。若要防止溫差過(guò)大，就必須杜絕再熱器出口安全門導(dǎo)汽管內(nèi)凝結(jié)水的形成。#1～#4再熱器出口安全門在運(yùn)行時(shí)是嚴(yán)密關(guān)閉的(只有在再熱器超壓時(shí)才動(dòng)作)，再熱蒸汽在導(dǎo)汽管內(nèi)無(wú)法流動(dòng)，如何才能使再熱器出口安全門導(dǎo)汽管內(nèi)的再熱蒸汽形成有效的流動(dòng)，還不影響整個(gè)鍋爐再熱蒸汽系統(tǒng)的正常運(yùn)行。華電能源牡丹江第二發(fā)電廠技術(shù)人員通過(guò)深入的研究分析和論證，決定在#7鍋爐再熱器入口管(入口再熱蒸汽溫度為408℃)和#7鍋爐#1～#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管之間加設(shè)連通管，如圖3所示。利用再熱器入口壓力(2．7MPa)與出口的壓力(2．5MPa)差使再熱器入口管內(nèi)的小部分再熱蒸汽通過(guò)新加設(shè)的連通管和再熱器出口安全門導(dǎo)汽管流入再熱器出口管(出口再熱蒸汽溫度為540℃)內(nèi)，這樣，再熱器出口安全門導(dǎo)汽管內(nèi)靜止不動(dòng)的再熱蒸汽就會(huì)循環(huán)流動(dòng)起來(lái)，減小了溫差，避免了凝結(jié)水的產(chǎn)生。同時(shí)，消除了交變熱應(yīng)力，降低了管壁金屬組織的熱疲勞現(xiàn)象。

圖3 冷熱段再熱蒸汽連通管示意圖

利用鍋爐大、小修的機(jī)會(huì)在再熱器出口安全門導(dǎo)汽管彎頭上方豎管處(再熱出口安全門下3m處)和再熱器入口管處(再熱蒸汽三通閥入口側(cè)前10m出管段)開(kāi)?32mm的圓孔，用?42 mm×5mm(12Cr1MoV)的合金鋼管(也就是冷熱段再熱蒸汽連通管)將2孔連接，由于再熱器入口的蒸汽壓力為2．7MPa，再熱器出口的蒸汽壓力為2．5 MPa，入口側(cè)與出口側(cè)的壓力差達(dá)到0．2MPa，這樣，冷段再熱蒸汽可通過(guò)這條冷熱段再熱蒸汽連通管流入熱段再熱器出口安全門導(dǎo)汽管內(nèi)，使再熱器出口安全門導(dǎo)汽管內(nèi)的蒸汽循環(huán)流動(dòng)。

3 結(jié)論

在不影響鍋爐再熱蒸汽系統(tǒng)的正常運(yùn)行和不改變?cè)瓉?lái)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)的情況下，通過(guò)對(duì)HG－670－13．7－YM9型鍋爐#1～#4再熱器出口安全門導(dǎo)汽管的改造，從根本上消除了再熱器出口安全門導(dǎo)汽管頻發(fā)漏泄的缺陷。保證了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了鍋爐的經(jīng)濟(jì)型?？梢哉f(shuō)，此次設(shè)備改造是十分成功的。

［1］劉尚慈．火力發(fā)電廠金屬斷裂與失效分析［M］．北京:水利電力出版社，1992．