高鵬里

（華能南京金陵發(fā)電有限公司，南京223001）

超超臨界鍋爐水冷壁風險評估與管理探討

高鵬里

（華能南京金陵發(fā)電有限公司，南京223001）

為降低發(fā)電廠鍋爐水冷壁開裂泄漏風險，提高機組運行安全可靠性，通過部分發(fā)電廠現(xiàn)場檢查、跟蹤統(tǒng)計失效概率、失效原因機理分析，結(jié)合RBI風險檢驗技術，研究了超超臨界鍋爐水冷壁風險評估與管理技術，提出了維修、運行防范措施和優(yōu)化維修策略。

超超臨界；鍋爐；水冷壁；失效分析；風險評估；狀態(tài)管理

0 引言

隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略實施，我國已投產(chǎn)和在建的超超臨界機組規(guī)模均居世界首位，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟和社會效益，但隨著超超臨界運行機組的增多，運行時間的延長，鍋爐水冷壁早期失效、爆漏問題逐漸顯現(xiàn)并越來越突出，某些發(fā)電廠甚至因此而頻繁非計劃停運，成為影響超超臨界機組安全穩(wěn)定運行的重要因素。

與超臨界鍋爐比較，超超臨界鍋爐水冷壁布置復雜、結(jié)構(gòu)應力復雜，具有蒸發(fā)受熱面積大、無汽水兩相區(qū)、壁面熱負荷高、溫度偏差大、水冷壁熱應力變化快等特點。而水冷壁內(nèi)徑選得較小，水冷壁管對壁溫異常較為敏感，隨著運行溫度的提高，高溫氧化更嚴重，管壁傳熱進一步惡化；尤其是超超臨界機組參與調(diào)峰，負荷變化波動大，水冷壁瞬時溫度變化頻繁，熱疲勞機理導致爆管的作用更加顯著。同時部分超超臨界鍋爐采用的新材料有一些不確定因素，加上制造、安裝、運行、維護、監(jiān)督、管理等方面的原因，進一步增加了超超臨界鍋爐水冷壁的泄漏、失效風險，降低了機組可靠性。

超超臨界鍋爐水冷壁失效和開裂一直是國際研究機構(gòu)關注的焦點。美國電力科學研究院于2007年對Pennsylvania Power and Light’s Brunner island 3號機組750 MW鍋爐水冷壁的周向裂紋進行了研究。該項目通過對水冷壁管火側(cè)和水側(cè)狀態(tài)的評價，研究在何種運行模式和何時導致周向裂紋擴展開裂，評估水冷壁的爆漏風險，制訂解決措施。雖然對于通過給水加氧處理來減少爐管泄漏取得了效果，但隨著運行條件的變化，爐管產(chǎn)生了新問題，例如：低NOX燃燒器的使用導致更長的火焰，水冷壁管堆焊技術的應用，都是導致水冷壁管開裂的因素。

國內(nèi)也對此開展了一些風險評估和管理研究，取得了部分的成果。檢驗的技術標準正在制定中，但更多關注吹損減薄、高溫蠕變等因素，對熱交變應力導致熱疲勞等因素分析較少。為有效提高鍋爐設備的安全可靠性，在深入調(diào)研已經(jīng)投產(chǎn)的超超臨界機組水冷壁隱患、開裂泄漏等基礎上，通過失效原因機理分析，結(jié)合RBI（基于風險評估的設備檢驗技術），研究適合超超臨界機鍋爐特點的水冷壁狀態(tài)分析及風險等級評估技術，制定針對性的維修、運行防范措施，優(yōu)化維修策略。

1 水冷壁失效原因分布

為了分析掌握超超臨界機組水冷壁失效、開裂、泄漏等情況，選取其中某鍋爐廠制造的同類型已投產(chǎn)4個發(fā)電廠10臺超超臨界變壓運行直流鍋爐來分析。這些鍋爐均為П型布置、懸吊結(jié)構(gòu)、低NOX主燃燒器和高位燃盡風分級燃燒技術、反向雙切園燃燒方式，爐膛為內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁，材質(zhì)為T12或15CrMo。

統(tǒng)計2012年10臺鍋爐水冷壁的失效原因分布情況如圖1所示，從圖1可以看出熱疲勞交變應力導致的開裂失效占相對多數(shù)。由圖2可知，對熱疲勞失效發(fā)現(xiàn)時機以檢修中檢查發(fā)現(xiàn)事件頻次的較多。

圖1 水冷壁失效原因分布

圖2 部分水冷壁熱應力疲勞失效發(fā)現(xiàn)時機

2 水冷壁失效原因分析

對各種失效的原因進行了分析，選取現(xiàn)場水冷壁中部集箱進/出管部位塊狀鰭片開裂水冷壁管子（試樣1）、表面橫向裂紋管子（試樣2）、焊縫熱影響區(qū)開裂管子（試樣3）等3個代表性試樣進行分析，如圖3所示，并詳述試樣2的宏觀檢查、機械性能、金相組織、掃描能譜等分析。

圖3 水冷壁試樣管

2.1 宏觀檢查

試樣1，2，3均未發(fā)現(xiàn)脹粗或鼓包。將裂紋進行低溫打斷，斷口形貌表明試樣1裂紋源在鰭片；試樣2內(nèi)外壁均有裂紋啟裂；試樣3內(nèi)壁有小的剪切唇，裂紋應是起裂于外壁。

2.2 金相組織分析

按照DL/T 884-2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》的要求制做金相試樣，采用機械拋光，腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液，在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下觀察顯微組織形貌，并參照DL/T 787-2001《火力發(fā)電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準》對其進行珠光體球化評級。圖4為試樣2金相組織照片，外壁和內(nèi)壁裂紋均為穿晶，呈疲勞擴展特征。外壁裂紋尖端圓鈍，而內(nèi)壁裂紋尖端與外壁裂紋相比較尖銳，均充滿填充物。主裂紋及分支裂紋均為穿晶裂紋，金相組織為鐵素體+珠光體，裂紋密集處的金相組織已明顯球化，球化級別為2～3級，但珠光體區(qū)域尚保留其形態(tài)，珠光體中的碳化物呈粒狀，晶界有部分碳化物析出。

2.3 掃描電子顯微鏡能譜分析

利用Quanta 400 SEM（掃描電子顯微鏡）對內(nèi)、外壁環(huán)向裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物進行EDS（能量彌散X射線譜）微區(qū)點掃描，由結(jié)果可知：內(nèi)壁未含有腐蝕性元素，大部分為Fe的氧化物；外壁含有S元素腐蝕產(chǎn)物，且隨著裂紋深度的增加，S含量逐漸減少。圖5為外壁環(huán)向裂紋斷口的低倍SEM形貌，可以看到斷口分布有顆粒狀氧化物，斷口表面較平整，斷口表面存在一系列貝殼紋。

圖4 外壁最長環(huán)向裂紋尖端（200倍）呈穿晶化

圖5 外壁環(huán)向裂紋斷口的100倍SEM形貌

2.4 室溫拉伸試驗

室溫拉伸試驗結(jié)果表明水冷壁試樣管2向火面的室溫拉伸性能接近ASME SA213對T12新管要求的下限值，室溫拉伸性能下降明顯，抗拉強度低于GB 5310-2008標準對新管的要求。

2.5 綜合分析

綜合以上試驗，說明試樣管2發(fā)生了一定的球化，向火面拉伸性能指標接近標準要求的下限值；環(huán)向裂紋斷口呈疲勞斷口特征。環(huán)向裂紋產(chǎn)生與該管段運行工況有關，管子壁面較高的熱負荷和變化波動的溫度，導致交變的熱應力，在管子外/內(nèi)壁引發(fā)表面裂紋，并不斷擴展。另外燃煤中的腐蝕性元素S含量偏高，會加快疲勞裂紋擴展速度，屬于有S腐蝕參與的熱疲勞開裂。

對試樣管1與3的分析結(jié)果表明，取樣管部位熱負荷較高，鰭片或者管子得不到有效冷卻，在溫度變化較快的熱應力作用下，薄弱位置先產(chǎn)生裂紋并進一步擴展最終發(fā)生開裂。

3 風險檢驗技術與評估

RBI是通過識別設備的潛在損傷機理，計算每個損傷機理所造成失效的可能性，以及失效所造成的后果，進而計算出設備的風險大小。

采用上述宏觀、金相組織分析等方法可以對圖1中各種失效事件的發(fā)生機理進行研究，從而準確掌握超超臨界水冷壁管子各種失效機理與失效因子。通過10臺鍋爐1年時期運行情況的統(tǒng)計，借助于爐管失效半定量方法、定性方法掌握其發(fā)生和分布概率，幫助建立針對性的失效可能因子和失效概率計算方法，形成一套適合超超臨界鍋爐水冷壁爐管的風險檢驗方法。

該方法主要是采用半定量方法，通過檢修期間對水冷壁部件實施的各種檢驗、分析獲取實際狀態(tài)參數(shù)，依照強度不足和應力敏感程度對爐管失效程度進行判別，結(jié)合定性分析，對水冷壁管子在高溫下工作狀態(tài)不穩(wěn)定、磨煤機啟/停、運行負荷變動、應力敏感程度（如結(jié)構(gòu)應力、熱交變應力及應力方向）等分別賦予不同的系數(shù)，得出綜合的評估：

式中：Pi為某種因素變化引起水冷壁失效的可能性大小，依據(jù)上述定性分析，賦予吹損減薄、異物堵塞、氧化物、宏觀缺陷、焊接質(zhì)量、熱疲勞、高溫蠕變、高溫腐蝕、其他等9種因素適當?shù)南禂?shù)；Qi為該狀態(tài)引起失效的權重因子；P表示各種狀態(tài)參數(shù)的變化對水冷壁失效的累積效應。

根據(jù)式（1）確定受熱面失效可能性級別和失效風險，將其標入圖6的風險矩陣圖中。該方法對人員素質(zhì)要求較高，對水冷壁的狀態(tài)、各種失效分析要求有清晰的認識。人員經(jīng)驗越豐富，水冷壁檢驗數(shù)據(jù)越充分，失效原因分析越準確，對部件狀態(tài)掌握越清楚，則該方法應用效果越好。

4 維修策略與防范措施

4.1 維修策略

按照風險評估確定的風險等級，對現(xiàn)有的檢修計劃和策略進行優(yōu)化，包括增加、修改、減少、刪除檢修項目；調(diào)整維修策略；優(yōu)化檢驗方案，改進風險評估模型；延長、縮短檢修周期等，檢修計劃的修改按照以下基本原則進行。

（1）風險度D，風險度高，是無法接受的風險。不能削減檢修內(nèi)容以及延長檢修周期，應立即采取風險度C的對策以降低風險等級；制定降低風險度的方案。比如對一些鰭片存在橫向裂紋將擴展到水冷壁母管或者水冷壁管子表面存在裂紋的情況，應該及時消缺并加大檢修檢查力度，優(yōu)化檢查方法盡可能找出危險性缺陷。

（2）風險度C，風險度次高，不期望的風險級別，原則上不能削減檢修內(nèi)容以及延長檢修周期。在下次檢修之前，應采取下列某一種對策以降低風險等級：精確壽命評估；安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)；改進檢驗方法進行狀態(tài)檢驗；改進運行操作方式或者管理方法；采取相應的減少失效影響的保護措施。

（3）風險度B，風險度中，有條件接受的風險級別。在適當論證前提下，研究減少檢修內(nèi)容以及延長檢修周期。

（4）風險度A，風險度低，希望的風險級別。積極地研究減少檢修內(nèi)容以及延長檢修周期。如對一些輕微的吹損，又經(jīng)過優(yōu)化吹灰工藝，可減少檢查的頻度。

4.2 防范措施

防止水冷壁失效泄漏，最重要目的是要做到一個檢修周期內(nèi)風險可控在控。針對圖1所示的9種原因，分別采取相應的技術措施，如針對異物、氧化物堵塞可采取加強清潔度管理和給水加氧措施。對占權重比例較大的熱疲勞重點圍繞降低水冷壁壁面熱負荷和熱交變應力、結(jié)構(gòu)附加應力提出防范措施：優(yōu)化燃燒調(diào)整，防止燃燒偏斜，尤其是雙切圓燃燒器，如減少燃燒切圓假想半徑、火焰中心下移等；從磨煤機投/退上進行優(yōu)化，盡量保持上層磨煤機穩(wěn)定運行，盡可能啟/停下層磨煤機，以降低交變熱應力對中部集箱塊狀鰭片處的損傷。檢修中加強對鰭片的檢查和消缺力度，做好風險評估，不能滿足一個檢修周期安全穩(wěn)定運行的水冷壁必須得到可靠處理。

圖6 風險矩陣

5 結(jié)語

超超臨界鍋爐水冷壁由于容積大、結(jié)構(gòu)應力復雜、運行參數(shù)高等因素，失效開裂的風險在增加。經(jīng)過分析典型失效案例可知，熱疲勞等因素是導致超超臨界鍋爐水冷壁開裂的主要原因。

通過創(chuàng)新設備管理理念、建立和完善適用于超超臨界鍋爐水冷壁的風險檢驗和評估，可實現(xiàn)對設備的狀態(tài)管理、制定和優(yōu)化檢修策略，降低水冷壁失效開裂風險，提高鍋爐運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。

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（本文編輯：陸瑩）

Discussion on Water Wall Risk Evaluation and Management of Ultra Supercritical Boiler

GAO Pengli
（Huaneng Nanjing Jinling Power Plant Co.，Ltd.，Nanjing 223001,China）

In order to reduce the risk of water wall crack of boiler in power plant，and leakage and improve safety and reliability of units operation，by field detection，track and collect failure probability and failure mechanism analysis，the paper investigates water wall risk evaluation and management technology for ultra supercritical boiler and proposes precautions of maintenance&operation and optimization of maintenance strategy by combining RBI risk inspection technology.

ultra supercritical；boiler；water wall；failure analysis；risk evaluation；state management

TK223.3+1

：B

：1007-1881（2014）01-0047-04

2013-10-22

高鵬里（1964-），男，吉林四平人，高級工程師，長期從事發(fā)電廠建設、運行、生產(chǎn)管理工作。