陳志軍

（山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 037200）

0 引言

鍋爐過(guò)熱器、再熱器的作用是將飽和蒸汽加熱成為具有一定溫度和壓力的過(guò)飽和蒸汽[1]，以增加蒸汽的焓值，兩者的吸熱總量占工質(zhì)總吸熱量的50%以上[2]。由于過(guò)熱器、再熱器在鍋爐溫度最高區(qū)域工作，運(yùn)行工況極為惡劣，管材使用溫度接近極限溫度[3-4]，所以管子（尤其是再熱器）的超溫問(wèn)題比較突出。相比于過(guò)熱器，再熱器中的工質(zhì)壓力低、密度小、換熱系數(shù)小，管子吸熱能力差，同時(shí)再熱器中工質(zhì)流速小，對(duì)熱偏差較敏感。另外，在當(dāng)前火電機(jī)組頻繁參與低負(fù)荷深度調(diào)峰的運(yùn)行條件下，頻繁低流量運(yùn)行使鍋爐再熱器的工況變得更差，對(duì)熱偏差的敏感性更高[5]。因此，有效解決熱偏差問(wèn)題對(duì)再熱器的安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。

某電廠循環(huán)流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）鍋爐屏式高溫再熱器管子發(fā)生了開(kāi)裂泄漏故障，本文通過(guò)試驗(yàn)查找開(kāi)裂泄漏原因，避免同類型故障再次發(fā)生。

1 鍋爐概況及故障現(xiàn)象

1.1 鍋爐概況

某電廠2臺(tái)CFB鍋爐由上海鍋爐廠有限公司制造，亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、一次中間再熱、煙氣擋板調(diào)溫，型號(hào)為SG-1178/18.64-M4504。屏式高溫再熱器共6屏，沿爐膛稀相區(qū)上部左、右側(cè)各布置3屏，管屏爐內(nèi)部分長(zhǎng)20.185 m，管子規(guī)格為76 mm×6 mm（直徑×壁厚）。

鍋爐下部異種鋼焊口以下為散管（12Cr1MoVG）供貨，包覆有防磨耐火材料。中部為膜式屏，型號(hào)SA213-T91。上部通過(guò)頂棚水冷壁讓位后穿出匯集至出口集箱連通管。高溫再熱器每屏30根管，分為前屏和后屏各1片，鍋爐廠給定的壁溫保護(hù)報(bào)警定值為580℃（實(shí)際采用570℃）；第1、第3、第4、第6屏爐外出口段并聯(lián)管上每屏布置8個(gè)壁溫測(cè)點(diǎn)。

1.2 故障現(xiàn)象

2018—2019年1號(hào)鍋爐高溫再熱器第1屏第16根、第6屏第30根管出口段頂部外管圈同一位置相繼開(kāi)裂泄漏。開(kāi)裂管段材質(zhì)為SA335-T91，規(guī)格為76 mm×6 mm（直徑×壁厚），具體位置為頂棚向下150 mm處。

2 檢測(cè)試驗(yàn)

對(duì)泄漏的屏式高溫再熱器管段制樣進(jìn)行宏觀形貌、化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能檢測(cè)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）宏觀形貌：高溫再熱器鋼管爆口的開(kāi)口較小，邊緣粗鈍且未見(jiàn)明顯減薄，漏點(diǎn)處鋼管有明顯脹粗，鋼管外壁及內(nèi)壁均可見(jiàn)沿軸向平行分布的“老樹皮”狀的厚氧化皮裂紋形貌，具有典型的長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱特征（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 漏點(diǎn)宏觀形貌

圖2 爆口內(nèi)壁縱向裂紋

（2）化學(xué)成分：鋼管的主要合金成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]對(duì)T91材質(zhì)的要求，可以排除材質(zhì)錯(cuò)用情況。

（3）金相組織：爆口處的組織已嚴(yán)重老化，組織中存在大量蠕變孔洞和蠕變裂紋，內(nèi)壁的氧化皮厚度達(dá)361μm（見(jiàn)圖3）；爆口對(duì)側(cè)組織亦完全老化，內(nèi)壁的氧化皮厚度為234μm，符合長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱導(dǎo)致的微觀組織特征，如圖4所示。

圖3 爆口處內(nèi)壁氧化皮

圖4 爆口處組織

（4）力學(xué)性能：T91鋼管向火側(cè)的強(qiáng)度均已下降至477 MPa，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。

從上述理化試驗(yàn)分析結(jié)果看，屏式高溫再熱器鋼管泄漏的主要原因?yàn)楣芏伍L(zhǎng)期處于超溫過(guò)熱狀態(tài)，致使T91管材發(fā)生嚴(yán)重老化、力學(xué)性能大幅下降，因無(wú)法承受內(nèi)部介質(zhì)壓力，在內(nèi)壓作用下引發(fā)爆漏。

3 原因分析

3.1 超溫

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

對(duì)高溫再熱器管屏的其他鋼管進(jìn)行脹粗檢查，未發(fā)現(xiàn)脹粗超標(biāo)管。對(duì)鋼管內(nèi)部和進(jìn)、出口集箱內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，未見(jiàn)有異物，集箱管孔無(wú)堵塞，鋼管對(duì)接焊縫無(wú)影響流量的焊瘤缺陷。對(duì)彎管部位進(jìn)行射線檢查，未見(jiàn)氧化皮堆積堵管，排除因堵塞造成超溫爆管。通過(guò)分析減溫水投、退等數(shù)據(jù)，排除了減溫水過(guò)投引起的水塞超溫。對(duì)同屏及其他屏鋼管進(jìn)行取樣分析，組織檢測(cè)結(jié)果和力學(xué)性能均合格。

3.1.2 熱偏差分析

對(duì)機(jī)組在323 MW、198 MW及80 MW負(fù)荷工況下，第1屏并聯(lián)管之間的壁溫進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯黄廉?dāng)中第1、第16、第30根鋼管的壁溫最高，接近于報(bào)警溫度（570℃）。通過(guò)對(duì)比分析106 MW負(fù)荷工況下高溫再熱器屏之間壁溫差別（見(jiàn)圖5），可見(jiàn)1號(hào)和6號(hào)屏溫度整體高于2號(hào)—5號(hào)屏。同屏鋼管之間的壁溫最高相差20℃，不同管屏之間壁溫偏差約為20℃。

表1 不同負(fù)荷下1號(hào)管屏各管壁溫度 ℃

圖5 高溫再熱器管壁溫監(jiān)測(cè)畫面截面

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同管屏及同一管屏不同鋼管之間的熱偏差主要受熱力不均系數(shù)、流量不均系數(shù)及結(jié)構(gòu)不均系數(shù)等因素影響。相關(guān)資料[5]顯示，因大多數(shù)過(guò)（再）熱器的結(jié)構(gòu)差異很小，因此過(guò)（再）熱器的熱偏差主要考慮流量不均和熱力不均因素。

3.1.2.1 熱力不均

屏式高溫再熱器并聯(lián)管吸熱不均的影響因素有很多，主要有爐內(nèi)溫度場(chǎng)、管子吸熱面積、結(jié)構(gòu)等。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，不存在火焰偏斜情況；查閱爐膛出口煙溫，沿寬度方向相差甚小，采集數(shù)據(jù)顯示爐膛溫度場(chǎng)分布均勻，如圖6所示。但同一管屏的前、后屏邊管即第1、第15、第16和第30根鋼管的吸熱面積比同屏并聯(lián)管大；同時(shí)外管圈長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使得同屏外管圈的熱負(fù)荷較高。

圖6 爐膛出口煙溫采集數(shù)據(jù)截屏

屏式高溫再熱器管屏沿爐膛寬度方向布置的間距為1.02 m，1號(hào)屏和6號(hào)屏距離左、右側(cè)墻水冷壁為2.05 m，造成兩側(cè)煙氣寬度較大，同時(shí)泄漏點(diǎn)所處的爐頂部受爐膛出口負(fù)壓影響，煙氣的流速較大，共同作用使1號(hào)和6號(hào)屏的熱負(fù)荷較2號(hào)—5號(hào)屏高，導(dǎo)致1號(hào)和6號(hào)屏的管壁溫度高于其他管屏，這一點(diǎn)從現(xiàn)場(chǎng)1號(hào)和6號(hào)屏的變形程度比其他管屏嚴(yán)重也可得到驗(yàn)證。

3.1.2.2 流量不均

再熱蒸汽自低溫再熱器由左、右兩根導(dǎo)管分別引至爐前屏式高溫再熱器的高溫入口集箱。進(jìn)口母管和出口匯集母管方向相反（見(jiàn)圖7），呈U形走向布置[4]，進(jìn)、出口靜壓變化方向相同。正常工況下，一對(duì)出入口（3屏管屏）之間的壓力差基本一致，流量偏差也很小。但當(dāng)負(fù)荷低于鍋爐設(shè)計(jì)最低穩(wěn)燃負(fù)荷（即100 MW，30%BMCR）時(shí)，會(huì)造成各集箱之間的流量分配極為不均。而實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大，負(fù)荷低于100 MW的情況屢有發(fā)生。

圖7 高溫再熱器管屏介質(zhì)流向示意圖

介質(zhì)在屏式高溫再熱器內(nèi)走向呈Z形分布[4]。在入口集箱處，蒸汽介質(zhì)在氣流走向的縱向截面上的流量因分配給各并聯(lián)管而不斷減少，動(dòng)壓p2也沿集箱長(zhǎng)度方向而逐漸降低，但靜壓p1則呈逐步升高的趨勢(shì)[6]，即同一管屏中第1根管的靜壓最低，第30根管的靜壓最高，如圖8所示。而出口處情況相反，當(dāng)蒸汽介質(zhì)從各受熱管匯入出口集箱時(shí)，沿集箱長(zhǎng)度方向上汽流向集箱內(nèi)不斷匯聚、流量逐漸增大，動(dòng)壓逐漸升高，靜壓逐漸下降直至達(dá)到最小，即第1根管的靜壓最高，第30根管的靜壓最低，使得鋼管的進(jìn)、出口壓差Δp即（p1-p2）最大，導(dǎo)致流量分配不均勻。

圖8 高溫再熱器進(jìn)出口壓差示意圖

此外，同一屏高溫再熱器管屏的邊管變形較大、管程阻力也大，入口處無(wú)節(jié)流孔板等也能導(dǎo)致同屏邊管即第1、第15、第16和第30根管的壁溫較高。盡管不同負(fù)荷條件下壁溫的平均值處于管材的允許范圍之內(nèi)，但偏差管的溫度卻長(zhǎng)期處于較高水平，且在出口段焓增最大、換熱最差的部位壁溫最高[6]，再加上頻繁深度調(diào)峰工況的作用，管間的流量偏差更為嚴(yán)重，更易導(dǎo)致鋼管超溫的發(fā)生。

3.2 附加應(yīng)力

屏式高溫再熱器管屏下部異種鋼焊口以下部分為散管供貨，中部為膜式整體結(jié)構(gòu)，頂部通過(guò)頂棚水冷壁讓位后穿出頂棚，每屏設(shè)計(jì)有2組彈簧吊架，下部經(jīng)2個(gè)45°彎頭后從水冷壁前墻穿出，用密封盒焊死。設(shè)計(jì)管屏膨脹方式：下部跟隨水冷壁前墻向下膨脹，上部自由向上膨脹。

因鍋爐啟動(dòng)時(shí)再熱器干燒和膨脹受阻等原因，導(dǎo)致管屏變形嚴(yán)重[7]。泄漏點(diǎn)所處的出口段部位為變形的彎曲起點(diǎn)，向下呈嚴(yán)重的波浪變形，最嚴(yán)重處管屏橫向位移約1 m。因此，泄漏點(diǎn)部位同時(shí)承受管內(nèi)介質(zhì)內(nèi)壓力和附加彎曲變形應(yīng)力，在鍋爐啟停、深度調(diào)峰及升降負(fù)荷等工況下，汽溫、汽壓、爐內(nèi)溫度快速變化[8-9]，因管屏與水冷壁膨脹不一致等因素導(dǎo)致泄漏點(diǎn)處承受的應(yīng)力情況極為復(fù)雜。

3.3 壁溫分析

屏式高溫再熱器管屏的壁溫測(cè)點(diǎn)設(shè)置在爐外的出口段，距離泄漏點(diǎn)約1.5 m，測(cè)點(diǎn)熱電耦經(jīng)校驗(yàn)確認(rèn)合格，爐外溫度測(cè)點(diǎn)顯示的實(shí)質(zhì)上是管內(nèi)介質(zhì)溫度，通過(guò)對(duì)應(yīng)關(guān)系反應(yīng)爐內(nèi)管壁平均溫度。查閱屏式再熱器歷史壁溫曲線及超溫臺(tái)賬，再熱器無(wú)明顯超溫情況，泄漏管爐外壁溫測(cè)點(diǎn)的記錄最高壁溫為570℃，并未超過(guò)報(bào)警溫度。研究顯示，對(duì)于T91材質(zhì)的受熱面管，一般情況下?tīng)t內(nèi)管壁溫度比蒸汽溫度高28～39℃[10]，可知即使?fàn)t外溫度測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值為570℃，再加上40℃的溫差，爐內(nèi)鋼管的實(shí)際壁溫也只有610℃左右，在T91管材的許用溫度范圍內(nèi)[11]。因此推斷機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)，在低于鍋爐設(shè)計(jì)出力工況下，管內(nèi)介質(zhì)流速較慢、爐外溫度測(cè)點(diǎn)并不能真實(shí)反映爐內(nèi)壁溫，測(cè)量值存在偏低的可能。

3.4 運(yùn)行工況

檢查機(jī)組深度調(diào)峰期間升、降負(fù)荷階段鍋爐汽溫、汽壓變化速率及幅度情況，主蒸汽壓力的最大變化率為0.1 MPa/min，再熱蒸汽壓力的最大變化率為0.04 MPa/min，主蒸汽溫度的最大變化率為1.2℃/min，再熱蒸汽溫度的最大變化率為1.1℃/min，參數(shù)變化速率均較平緩。但經(jīng)統(tǒng)計(jì)，機(jī)組全年的深度調(diào)峰小時(shí)數(shù)占全年利用小時(shí)數(shù)的1.7%，深度調(diào)峰較為頻繁，最低調(diào)峰負(fù)荷至80 MW，遠(yuǎn)低于鍋爐廠設(shè)計(jì)給定的最低穩(wěn)燃負(fù)荷。

4 結(jié)論及建議

低負(fù)荷下，因同屏和屏間的流量不均、外管圈的大長(zhǎng)度和大吸熱面積，帶來(lái)較高的熱負(fù)荷、外管圈變形大，受汽阻因素及管屏變形形成的附加應(yīng)力等的共同作用，使得屏式高溫再熱器的1號(hào)管屏長(zhǎng)期處于較高的溫度條件下運(yùn)行，造成組織老化；并在頻繁的深度調(diào)峰工況下加速了管材老化的進(jìn)程，最終在介質(zhì)內(nèi)壓力和附加應(yīng)力，機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)運(yùn)行工況惡劣的共同作用下，造成鋼管開(kāi)裂泄漏。

針對(duì)上述結(jié)論，給出以下建議。

（1）對(duì)循環(huán)流化床鍋爐屏式再熱器管屏的邊管壁溫監(jiān)督應(yīng)考慮流量偏差因素，流量偏差會(huì)造成鋼管換熱較差。同時(shí)，鋼管的爐外壁溫不能完全反應(yīng)爐內(nèi)壁溫情況，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)降低壁溫報(bào)警值。

（2）監(jiān)督取樣需全面覆蓋，應(yīng)包括不同屏的屏邊管。做好定點(diǎn)蠕脹檢測(cè)、分析，關(guān)注熱力偏差引發(fā)的管材老化趨勢(shì)并及時(shí)處理。

（3）可通過(guò)升級(jí)屏式高溫再熱器出口頂部工況最差部位管材的方式，提高鍋爐的可靠性。