陸 云，陳 捷 ，陳宇騁

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2.上海外高橋發(fā)電廠有限責(zé)任公司，上海 200245；3.國網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 200233)

為保證電網(wǎng)安全運行，對上海各并網(wǎng)發(fā)電廠能夠及時響應(yīng)電網(wǎng)提出更高的要求，導(dǎo)致發(fā)電鍋爐設(shè)備必須能保證“零非?！盵1]。為消除發(fā)電鍋爐設(shè)備的安全隱患，各電廠在機組檢修中都非常重視對發(fā)電鍋爐的防磨、防爆檢查，結(jié)合發(fā)電鍋爐防磨防爆和定期檢驗，對檢查發(fā)現(xiàn)的設(shè)備短板和缺陷隱患進行及時處理，同時做好反措，有效地避免和減少了發(fā)電鍋爐“四管”爆泄事故的發(fā)生。

到2019年底為止，上海市并網(wǎng)電廠總裝機容量為24 356 MW，其中900 MW超臨界級以上燃煤機組6臺，600 MW及以上燃煤機組6臺，300 MW級燃煤機組15臺，125 MW及以下機組11臺，燃氣輪機機組18臺。根據(jù)2019年度各電廠上報的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，上海地區(qū)并網(wǎng)電廠“四管”泄漏和承壓部件泄漏共發(fā)生17次，整個上海并網(wǎng)電廠全年平均爆泄率達到監(jiān)督目標管理的要求(≤2次/臺·年)。

1 “四管”泄漏典型案例分析

1.1 鍋爐水冷壁失效分析

2019年1月，上海某發(fā)電廠1號機組爐膛的53 m標高4號角靠爐右側(cè)水冷壁轉(zhuǎn)角彎頭焊口發(fā)生泄漏。該處水冷壁管材質(zhì)為SA213-T23，管道規(guī)格為Φ38 mm×6.8 mm。水冷壁泄漏時，機組正常運行。

(1) 宏觀檢查。泄漏管割管后形貌見圖1。從外表面檢查未見開裂情況，表面只見堆焊和吹損痕跡。將左側(cè)管子打開后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁存在一橫向開裂裂紋，裂紋起始點為焊瘤位置，在主裂紋的90°方向，也發(fā)現(xiàn)外壁有微裂紋。將試樣A打開，可見裂紋由內(nèi)壁焊瘤處起始，沿虛箭頭方向擴展，外壁邊緣側(cè)白亮區(qū)域為終斷區(qū)域(人工斷口)。

圖1 泄漏管宏觀形貌

(2)金相分析。圖2為試樣B裂紋腐蝕后的形貌，裂紋由外壁起始，沿著熱影響區(qū)方向擴展。左上角為焊縫區(qū)域，由左到右分別為粗晶區(qū)域、細晶區(qū)域和母材，可見裂紋由熱影響區(qū)起始大致沿著粗晶與細晶分界線擴展。試樣B裂紋是試樣A主裂紋擴展至外壁的延伸裂紋。試樣A焊瘤處最左側(cè)區(qū)域為焊瘤焊縫區(qū)域，左側(cè)依次分別為粗晶區(qū)域，細晶區(qū)域和母材，左上角區(qū)域為粗晶與細晶的分界區(qū)域，推測為斷裂起始區(qū)域。焊瘤上側(cè)熱影響區(qū)有沿著主裂紋開裂方向的微裂紋存在。

圖2 試樣B腐蝕形貌

(3)硬度分析。利用UH250布洛維臺式硬度計和402MVD顯微維氏硬度計對泄露水冷壁管樣母材區(qū)域、熱影響區(qū)和焊縫位置分別進行硬度檢測。布氏硬度檢測力值為612.5 N，壓頭直徑2.5 mm，試驗力保持時間為10 s，顯微硬度檢測力值9.8 N，試驗力保持時間為10 s。其檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 試樣C裂紋處附近硬度測點數(shù)據(jù)

由分析可知：水冷壁管向火面焊縫布氏硬度值略低于背火面，硬度差別不大，但均超過了DL/T438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中對T23焊縫的硬度要求范圍上限(HB150～260)；開裂區(qū)域處母材硬度值合格，在標準規(guī)定上限附近，焊縫區(qū)域硬度超標，且熱影響區(qū)區(qū)域硬度更高，超出母材硬度近200 HBW。依據(jù)DL/T868—2014《焊接工藝評定規(guī)程》對于焊縫的硬度規(guī)定：不低于母材硬度的90%，不超過母材布氏硬度加100 HBW。熱影響區(qū)與緊鄰的焊縫兩者過高的硬度差值，使此區(qū)域極易敏感，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋缺陷。

DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對T23材料規(guī)定的母材硬度值范圍為150～220 HBW，焊縫硬度值范圍為150～260 HBW。

通過分析，可以得到以下結(jié)論。

(1)由泄漏水冷壁管宏觀檢查可知，水冷壁管對接焊縫在內(nèi)壁焊瘤處有一環(huán)向裂紋且已貫穿管壁，后經(jīng)補焊修復(fù)，外壁處有裂紋擴展痕跡。初步判斷水冷壁管失效原因由焊縫裂紋擴展所致。

(2)從金相組織分析可知，水冷壁對接焊縫焊瘤處及組織含有硬脆的馬氏體組織，晶粒較為粗大，熱影響區(qū)有微裂紋的存在。

(3)從硬度分析可知，水冷壁管對接焊縫及其熱影響區(qū)較高的硬度值表明焊后未經(jīng)熱處理，焊縫硬度超標，而熱影響區(qū)又高出焊縫硬度和母材很多，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加劇脆性裂紋的萌生與擴展。

T23水冷壁管泄漏為水冷壁管對接焊縫裂紋導(dǎo)致，焊縫裂紋擴展導(dǎo)致管壁開裂而發(fā)生蒸汽泄漏。這與焊接過程工藝控制不當(dāng)有關(guān)，致使焊縫及熱影響區(qū)硬度偏高，塑性、韌性較差，易形成應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力力作用下萌生裂紋，導(dǎo)致裂紋沿熔合線擴展至母材，最終引起蒸汽泄漏。

在后續(xù)實施了以下糾正措施。

(1)增加檢修焊縫硬度抽查比例，由目前10%，提高到100%(注標準硬度抽檢5%)。

(2)嚴格執(zhí)行T23焊接工藝，做好多層多道小電流焊接，同時做好焊前預(yù)熱、焊后后熱并緩冷保溫措施，防止焊縫冷卻速度過快，焊縫硬度超標。

(3)加強焊工操作技能管理，防止焊工操作姿勢不當(dāng)造成焊縫根部焊瘤或者內(nèi)凹。

(4)加強焊縫X光射線底片評定監(jiān)督工作，對焊縫存在內(nèi)凸和內(nèi)凹超標的，必須返修。

1.2 7號爐水冷壁泄漏

2019年7月，上海某電廠1號機組運行中出現(xiàn)水冷壁管泄漏(見圖4)。

圖4 水冷壁管泄漏宏觀照

理化檢驗結(jié)果，送檢水冷壁管的化學(xué)成分、抗拉強度、屈服強度及洛氏硬度均滿足JIS G3461標準對STB42鋼的要求，金相檢驗發(fā)現(xiàn)，1號管取樣的母材組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別2級，石墨化1.5級，內(nèi)壁有較多的氧化裂紋及凹坑。2號管各位置取樣母材組織也為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別2.5級，石墨化1.5級，內(nèi)壁有較多的氧化裂紋及凹坑，裂紋尖端較為圓鈍。主裂紋位于母材處，由內(nèi)壁啟裂向外壁擴展。因此，可排除因材質(zhì)不合格、材質(zhì)老化及焊接問題引起的泄漏。

通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，漏點①處內(nèi)壁除開口較大的主裂紋外，還有較多與主裂紋平行的直線型軸向裂紋，裂紋內(nèi)已氧化，裂紋尖端較為圓鈍，送檢管內(nèi)壁除裂紋外還有較多的氧化凹坑。將主裂紋打開后進行斷口觀察發(fā)現(xiàn)，斷口微觀上已氧化，表面可見較多疏松的氧化物。從主裂紋的宏微觀形貌特征來看，為典型的熱疲勞裂紋。這可能是由于鍋爐啟?；蛘{(diào)峰過程中，水冷壁管運行溫度發(fā)生變化，管內(nèi)壁產(chǎn)生較大的環(huán)向應(yīng)力，而與鰭片等焊接附件邊緣對應(yīng)的內(nèi)壁部位局部應(yīng)力會更高。長時間運行過程中，水冷壁管內(nèi)壁應(yīng)力最大處出現(xiàn)了熱疲勞裂紋的萌生和擴展。

此外，內(nèi)壁宏觀上可見明顯的腐蝕特征，對腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物內(nèi)除鐵的氧化物外，含有少量的Al、Na、Mg、Cl、S、K、Ca 等元素。由此表明，送檢水冷壁管內(nèi)壁存在一定的腐蝕作用，而內(nèi)壁腐蝕促進了裂紋的萌生和擴展。

綜上分析，送檢的水冷壁管2號管內(nèi)壁裂紋擴展至貫穿后優(yōu)先發(fā)生泄漏，之后1號管受2號管溢出的高速蒸汽吹損而減薄而泄漏。主裂紋的開裂性質(zhì)為熱疲勞裂紋，內(nèi)壁腐蝕作用促進了裂紋的萌生和擴展。

1.3 ND鋼煙冷器腐蝕泄漏

泄漏原因：煙冷器換熱管在出廠加工過程中，生產(chǎn)廠家未按照生產(chǎn)工藝要求對受熱面換熱管兩端的渦流探傷盲區(qū)進行切除，部分探傷盲區(qū)存在缺陷的換熱管發(fā)生泄漏，導(dǎo)致密封箱體內(nèi)積水，ND鋼在酸性水中浸泡，會快速腐蝕減薄，從而導(dǎo)致多發(fā)性的泄漏。

處理方案具體如下。

(1)利用檢修或調(diào)停機會，對1，2號爐煙冷器膨脹端低、中溫段密封箱體內(nèi)的彎頭及直管逐步進行更換。根據(jù)彎頭切除后換熱管直管段管壁厚度減薄情況確定是否需要更換至側(cè)密封板內(nèi)側(cè)，即密封板內(nèi)側(cè)將存在焊縫。

(2)原則同意在1，2號煙冷器膨脹端高、中、低溫段密封盒底部加裝排水管，便于盡早發(fā)現(xiàn)煙冷器泄漏。

(3)針對1，2號爐煙冷器泄漏事故采取更換彎頭的方式解決。受熱面彎管更換至管板內(nèi)部，可接長受熱面管，同時更換密封管板并加裝套管，彎管材料由ND鋼升級為316L不銹鋼。

根據(jù)某電廠與上海成套設(shè)計研究院的討論方案，對1，2號爐膨脹端密封盒高、中、低溫模塊加裝排水管。逐步對1，2號爐煙冷器密封盒內(nèi)ND鋼、20G材料升級為316L不銹鋼。在2017年5月，1號機組檢修過程中，對1號爐3、4號煙冷器固定端中、低溫段下10屏更換為316L彎頭，且部分彎頭的直管也進行了更換(即焊縫放至側(cè)密封板內(nèi)側(cè))。對于此缺陷，防磨防爆小組進行過統(tǒng)計，1，2號爐煙冷器密封盒內(nèi)彎管材料全部進行升級為316L，需換彎管8 064根，焊口32 256只。

2 “四管”泄漏統(tǒng)計次數(shù)及原因比較

2019年度上海地區(qū)并網(wǎng)電廠“四管”泄漏和承壓部件泄漏共發(fā)生17次，其中125 MW機組以下發(fā)生6次，300 MW以上機組發(fā)生6次，600 MW機組發(fā)生4次，900 MW以上機組發(fā)生1次。

2019年度上海市并網(wǎng)電廠共發(fā)生“四管”和承壓部件泄漏17次，其中省煤器泄漏發(fā)生1次，再熱器泄漏發(fā)生0次，過熱器泄漏發(fā)生5次，水冷壁泄漏發(fā)生9次，其他部件發(fā)生泄漏2次。

2019年度上海市并網(wǎng)電廠共發(fā)生“四管”泄漏17次。其中，由于設(shè)計原因泄漏發(fā)生1次，由于長時超溫原因泄漏發(fā)生3次，由于短時過熱原因泄漏發(fā)生0次，由于其他原因(包括鰭片拉裂、材質(zhì)老化、腐蝕減薄等)泄漏發(fā)生3次，由于原材料缺陷原因泄漏發(fā)生3次，由于磨損減薄原因泄漏發(fā)生3次，由于焊接質(zhì)量原因泄漏發(fā)生4次。2016—2019年連續(xù)4年的“四管”泄漏原因比較見圖5。

圖5 2016—2019年“四管”爆泄原因比較

由于各電廠嚴格按計劃對機組進行檢修，重點做好防磨防爆檢查和鍋爐定期檢驗，及時對鍋爐“四管”泄漏情況及防范措施和方法進行分析和總結(jié)，上海地區(qū)并網(wǎng)電廠“四管”泄漏現(xiàn)狀屬可控范圍，能較好保持機組設(shè)備的健康水平。

3 減少“四管”泄漏次數(shù)及反措

3.1 加強監(jiān)督管理，做好鍋爐“四管”檢查工作

(1)水冷壁吹灰器附近區(qū)域。由于吹灰器卡澀或吹灰蒸汽中含有水分，導(dǎo)致水冷壁爆管的案例越來越多。停爐檢修加強做好吹灰孔周圍水冷壁管防磨檢查工作，同時與熱控、電氣、發(fā)電部等相關(guān)專業(yè)對吹灰程控、報警進行一次討論、梳理。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化改進；

(2)省煤器煙氣走廊處磨損現(xiàn)象特別嚴重，必要時應(yīng)加裝防磨罩；

(3)過熱器、再熱器高溫段的長時間超溫導(dǎo)致材質(zhì)劣化，局部有漲粗現(xiàn)象。

3.2 加強焊接質(zhì)量管理及倉庫原材料驗收

在機組正常運行中也存在因在機組安裝時錯用鋼材而引起的泄漏事故。對倉庫備品備件的合金材料及零部件在使用前，必須進行全部百分之百光譜分析，嚴防鋼材錯用、混用。對高溫緊固件備品，使用前除了進行光譜分析，還必須進行全部硬度復(fù)查和超聲檢測。對于異種鋼的焊接，應(yīng)嚴格按照焊接工藝進行施焊，焊后應(yīng)及時熱處理。

3.3 做好“四管”失效分析工作

對于電廠的爆管樣品，現(xiàn)場應(yīng)保證樣品不被損壞，并及時委托相關(guān)科研單位進行失效分析，找出爆管的原因。明確責(zé)任，吸取教訓(xùn)，并采取相應(yīng)的改進措施。

3.4 加強受熱面的巡檢工作

機組正常運行時，巡檢和值班人員應(yīng)加強巡檢，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時停爐檢查，避免造成更大的損失，堅決杜絕帶壓堵漏現(xiàn)象。

4 結(jié)語

“四管”泄漏對發(fā)電鍋爐是一個致命的安全隱患，防止“四管”爆泄是經(jīng)常性的工作，徹底杜絕“四管”泄漏是不可能實現(xiàn)的，只有根據(jù)其原因?qū)π孤┻M行預(yù)防。根據(jù)電廠的實際情況合理選擇預(yù)防方式，可以從經(jīng)濟和效益兩方面綜合考慮。同時自上而下提高各級管理人員的責(zé)任心是防止“四管”泄漏的關(guān)鍵。發(fā)電鍋爐自安裝以后，其鍋爐設(shè)備是難于更改的，原有設(shè)備的缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，只有結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備的特點做好設(shè)備改進和檢修，及時消除設(shè)備缺陷才能保證鍋爐設(shè)備的安全可靠穩(wěn)定運行。