電站鍋爐水冷壁折焰角爆管原因分析
柯 浩 孫 濤 徐雪霞王 勇 歐陽杰 孫 澎 河北省電力公司電力科學研究院
華能上安電廠1號爐為亞臨界自然循環(huán)爐,型號為HG-1025/18.2-YM3,一次中間再熱;采用雙拱型爐膛,“W”火焰燃燒,尾部雙煙道,平衡通風,固態(tài)排渣。
1號爐于1990年8月12日投入運行,累計運行時間約為16萬h。
2012年6月10日,運行人員發(fā)現(xiàn)1號爐聲納報警異常,檢修人員檢查后懷疑水冷壁發(fā)生泄漏,因聲音不大,未停爐堅持運行。7月18日,爐膛負壓大幅波動,水位不能維持,采取停爐。停爐后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁折焰角部位有兩處爆口,爆口位于同一根水冷壁管,吹灰器IR32東數(shù)第14根管,具體位置如圖1所示。
該水冷壁為內(nèi)螺紋管,材質(zhì)為SA210A,規(guī)格57×7mm,2012年1月大修時曾進行酸洗。
圖1 爆口位置示意圖
爆口A位于水冷壁向火側(cè),管子內(nèi)弧面,爆口縱向15mm,環(huán)向7mm,爆口邊緣內(nèi)壁存在二次裂紋;爆口A周圍外表面有明顯的汽水沖刷痕跡,以爆口A為中心的外表面周圍結(jié)焦嚴重,其他位置管子上無明顯結(jié)焦;管子內(nèi)壁無明顯氧化皮,但附近存在少量點蝕坑。爆口A附近管子無明顯減薄,脹粗,除爆口位置存在向外的突出鼓包外,其他位置無變形。爆口A照片見圖2,橫截面和管子內(nèi)壁見圖3、圖4。
圖2 爆口A外表面
圖3 爆口A橫截面
圖4 爆口A內(nèi)表面
爆口B位于水冷壁向火側(cè),彎頭背弧,沿管子縱向開裂破斷,爆口窄長,爆口縱向撕開100mm,環(huán)向張開35mm;爆口表面粗糙,邊緣管壁有所減薄但不嚴重,外表面周圍存在微裂紋,內(nèi)壁氧化皮未見明顯增厚,除爆口位置外,附近管子未見明顯脹粗見圖5。
圖5 爆口B
對該水冷壁爆管進行化學成分分析,金相分析、力學性能檢驗,取樣位置見表1:
表1 樣品位置
2.1 化學成分
使用3460直讀光譜儀對管子進行化學成分分析,符合標準ASME對SA210A的要求。
2.2 金相組織
使用OLYMPUS-GX71金相顯微鏡對爆管進行金相分析,侵蝕劑為4%硝酸酒精。從金相組織看,在爆口A邊緣(鼓包位置)組織為鐵素體+珠光體,珠光體球化4.5級,珠光體形態(tài)完全消失,晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸聚集長大,見圖6。離開鼓包位置均為正常的鐵素體+珠光體組織,珠光體球化2~3級,在鼓包區(qū)域邊緣存在過渡區(qū)域組織,見圖7。在爆口A邊緣內(nèi)表面存在氧化皮,厚度0.05mm,與爆口A邊緣組織老化相對應(yīng),爆口邊緣碳化物析出,未見脫碳現(xiàn)象,見圖8。其他位置均為正常的鐵素體+珠光體組織,珠光體球化2~3級。
在爆口A、B之間,靠近爆口A的JX2向火側(cè)外表面組織為鐵素體+珠光體,珠光體球化3.5級,珠光體區(qū)域中的碳化物已明顯分散,并向晶界聚集,珠光體形態(tài)尚保留,見圖9。JX2內(nèi)表面還存在腐蝕坑,深度0.6mm。
爆口B邊緣組織為相變組織,管壁溫度超過Ac1,爆管后噴射出來的汽水快速冷卻而得到的貝氏體,見圖10。爆口B橫截面的背火側(cè)組織為鐵素體+珠光體,珠光體球化3級,珠光體區(qū)域中的碳化物已明顯分散,并向晶界聚集,珠光體形態(tài)尚保留,見圖11。
遠離爆口B的JX4組織為鐵素體+珠光體,珠光體球化2級,珠光體形態(tài)明顯,珠光體區(qū)域中的碳化物開始分散,其他試樣的背火側(cè)組織基本與該組織相同,珠光體球化2級,未見明顯老化。
圖6 JX1爆口A邊緣
圖7 JX1鼓包過渡區(qū)域組織
圖8 JX1爆口A邊緣氧化皮
圖9 JX2向火側(cè)外表面
圖10 JX3爆口B附近
圖11 JX3背火側(cè)
2.3 力學性能檢驗
使用CMT5205電子萬能試驗機對管材進行拉伸試驗,試驗結(jié)果見表2,試驗結(jié)果均符合ASME對SA210A要求。但從強度結(jié)果可以看出,在爆口A、B之間,靠近爆口A的管材LX1的向火側(cè)強度較背火側(cè)偏低,在爆口B附近管材LX2的向火側(cè)強度較背火側(cè)偏高。
1)從運行情況和爆口A的宏觀形貌可以看出,在6月10日聲納報警異常,應(yīng)是爆口A發(fā)生泄漏,但由于漏點不大,未對鍋爐造成直接影響,鍋爐堅持運行。從爆口A金相分析結(jié)果可以看出,爆口A附近組織嚴重老化,但僅是鼓包區(qū)域,離開鼓包位置的組織正常,說明鼓包具有長時過熱的特征。爆口A邊緣碳化物析出球化,沒有脫碳現(xiàn)象,排除了氫鼓包的可能,因此爆口A應(yīng)是局部過熱鼓包造成的爆管。
表2 力學性能結(jié)果
2)水冷壁在彎管、整形時,使用局部加熱方式,會在彎管位置出現(xiàn)輕微鼓包,或者是呈直線排列的鼓包。這種鼓包當時的組織和強度不會出現(xiàn)老化和降低,但由于鼓包存在,工質(zhì)在流動中無法對鼓包處的金屬產(chǎn)生良好的冷卻作用,還可能使鼓包位置的工質(zhì)汽化,影響傳熱,造成鼓包處的金屬壁溫較高,導致鼓包處的組織發(fā)生老化,強度逐漸降低,是產(chǎn)生局部鼓包和過熱原因。
3)由于爆口A泄漏后,水冷壁中的工質(zhì)流量減少,對水冷壁的冷卻作用減小,導致爆口A以上管段發(fā)生過熱,管壁溫度偏高,特別是直接受火焰影響的折焰角部位,經(jīng)過39天的運行,7月18日發(fā)生爆管,爆口B位于彎頭背弧最薄弱處。從爆口B的形貌看,沒有產(chǎn)生氧化皮、樹皮紋等長時過熱特征,雖然爆口未明顯增大,邊緣壁厚未明顯減薄,應(yīng)是水冷壁管材料塑性不好造成;從爆口B邊緣的金相組織和力學性能可以看出,管壁溫度曾超過Ac1,爆管后噴射出來的汽水快速冷卻,得到的相變組織,爆口周圍管材的強度升高。從爆口A、B之間的管材金相組織和力學性能可以看出,管子向火側(cè)外表面組織老化,強度降低,存在過熱現(xiàn)象。因此爆口B具有短時過熱爆管特征。
4)從力學性能結(jié)果可以看出,未鼓包處的管子性能滿足要求,與金相結(jié)果相對應(yīng)。
5)在爆口和鼓包位置的內(nèi)表面,大部分管子無明顯氧化皮、結(jié)垢現(xiàn)象,但附近存在少量點蝕坑,應(yīng)該與腐蝕無關(guān)。
綜上所述,華能上安電廠1號爐水冷壁折焰角部位發(fā)生泄漏的主要原因是水冷壁鼓包過熱,導致微小泄漏后,由于工質(zhì)減少,冷卻條件惡化,管壁溫度升高,造成水冷壁管過熱,管子強度降低,在彎頭背弧最薄弱處發(fā)生爆管。
鼓包的原因可能是在制造時產(chǎn)生,不排除管內(nèi)存在雜質(zhì)堵塞,致使管材輕度超溫,或在鼓包處由于介質(zhì)傳熱不良導致局部嚴重超溫,組織老化,強度降低,發(fā)生過熱爆管。
2013-08-21)