衣 力

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 南京 210036）

1 鍋爐概況

某電廠一臺600 MW機組鍋爐,投產(chǎn)于2006年12月,原設(shè)計參數(shù)為25.4 MPa,543 ℃,額定主蒸汽流量1 953 t/h。2014年9月12日,《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020）》的通知要求：到2020年,現(xiàn)役600 MW等級及以上機組的供電煤耗低于300 g/(kW.h),NOx排放濃度小于50 mg/Nm3。本臺鍋爐是上海鍋爐廠有限公司設(shè)計的第一批超臨界鍋爐,當(dāng)時由于使用單位的特殊要求,將主蒸汽溫度設(shè)定在543 ℃,降低了整個機組的效率,且較主蒸汽溫度為571 ℃的發(fā)電機組,其單位發(fā)電煤耗較高。同時,當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運行時,無法投運SCR脫硝系統(tǒng)。所以,使用單位于2015年10月,對本臺鍋爐進行了提高主蒸汽出口溫度的改造,并同時增加主蒸汽流量,以增加機組銘牌出力。改造后機組的銘牌功率提高至650 MW,主蒸汽溫度從543 ℃提高到571 ℃,BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況下主汽流量從1 953 t/h增加到2 068 t/h。

本次改造主要是對末級過熱器管排、末級過熱器集箱、主蒸汽管道等承壓部件及主蒸汽管道支吊架進行更換與調(diào)整,其余承壓部件未進行變動。2015年12月,改造結(jié)束,鍋爐點火調(diào)試完畢后,正常運行。

截至本次爆管事故發(fā)生時,累計運行時間接近10萬 h。

2 本次事故經(jīng)過及現(xiàn)場檢查處理情況

2020年某日 19時20分,鍋爐點火啟動。翌日 9時7分,機組并網(wǎng)。10時15分,轉(zhuǎn)干態(tài)。同日10時30分,監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)后屏過熱器管壁溫度測點05-BATP441B442R442T偏高（最高602 ℃左右,與相鄰管壁溫度偏差180 ℃左右）,超過報警值（560 ℃）。管點對應(yīng)分別為441B（后屏第15屏第3管壁溫度點）、442R（后屏第16屏第1管壁溫度點）、442T（后屏第18屏第1管壁溫度點）,見圖1。

圖1 溫度測點監(jiān)盤圖

12時43分,管壁溫度點442T從580 ℃突升到609 ℃后,突降到465 ℃,恢復(fù)正常。12時50分左右,相關(guān)技術(shù)人員到控制室商量。CRT（電廠控制系統(tǒng)顯示屏）顯示超溫管為第#1管、第#3管,認(rèn)為#1管、#3管在管屏外圈,此管管材為TP347H（最高允許工作溫度可達(dá)660 ℃）,鑒于剛轉(zhuǎn)為干態(tài)及超溫實際情況,爐內(nèi)煙溫較高,管壁溫度較汽溫相應(yīng)增加50 ℃左右,因此確定該點溫度按照不超610 ℃控制,商議可以適當(dāng)加大減溫水量,降低后屏入口溫度,進行低參數(shù)大流量變負(fù)荷振蕩沖洗。13時20分,經(jīng)參數(shù)振蕩沖洗后,441B從590 ℃突升到600 ℃后,突降到445 ℃,恢復(fù)正常；管壁溫度442R多次振蕩后沒有突變現(xiàn)象,但有緩慢上升的趨勢,最高到607 ℃,繼續(xù)觀察并進行參數(shù)振蕩沖洗。

16時33分,交接班后第1次振蕩,屏過管壁溫度442R基本無變化。17時42分,第2次振蕩結(jié)束,發(fā)現(xiàn)屏過管壁溫度442R突降至正常值,就地檢查,發(fā)現(xiàn)鍋爐12樓西側(cè)聲音偏大,汽水偏差有變大趨勢。匯報值長,與檢修、點檢聯(lián)合判斷后屏442R該超溫點管爆漏。監(jiān)盤大屏見圖2。21時15分,鍋爐主燃料跳閘（MFT）。

圖2 監(jiān)盤大屏

停爐冷卻后進爐膛檢查發(fā)現(xiàn),后屏第16屏（對應(yīng)管壁溫點442R屏）中間管（#21管）爆漏,管材為SA213-T23,規(guī)格為φ44.5 mm×7.14 mm。并非CRT上對應(yīng)442R的第1管壁溫度點,因此確認(rèn)壁溫點編制方向與實際認(rèn)為的不一致。后屏第16屏爆口在出口段U型彎頭向上5 000 mm位置,爆口呈喇叭狀,管口折彎,破口邊緣減薄明顯,管折彎后的開口最長處約110 mm,寬度方向約70 mm。爆口上下管子外壁無長期過熱跡象,爆口部位有局部豎向微裂紋,管無明顯脹粗,爆漏后在強大沖擊力下,出口端穿過了末級再熱器管排,整圈#21管甩出折彎,爆口對向B側(cè)起第11排管屏,高再管B側(cè)起第10屏北側(cè)起第1根管～第3根管、第5根管～第10根管均有不同程度吹損,其中第2根管、第3根管伴有砸傷,管材為TP304H,規(guī)格為φ63.5 mm×4.23 mm；高再管B側(cè)起第11屏北側(cè)起第5根管～第18根管均有不同程度吹損,其中第14根管～第16根管吹損嚴(yán)重,管材為SA213-T91,規(guī)格為φ63.5 mm×3.76 mm。入口端穿過后屏第17屏,該爆管屏內(nèi)2～7管圈出列嚴(yán)重。管屏損傷情況見圖3、圖4,爆口情況見圖5。

圖3 管屏損傷情況

圖4 爆管出列情況

圖5 爆口圖

由于計劃于2021年2月對后屏進行改造,本次搶修如恢復(fù)整個U型耗時會比較長,首先下部小R彎頭彎制時間很長,其次靠近頂棚處接口管彎曲,恢復(fù)困難,因此考慮臨時處理。處理方案有2個：1）在爐頂大罩內(nèi)將進出口管口悶堵,爐內(nèi)管割除,這樣影響較小,工作快捷,但是由于大罩內(nèi)溫度高,冷卻速度慢,要等很長時間才能進入大罩內(nèi)焊接悶頭,此方案不合適；2）在爐內(nèi)上部短接,彎制彎頭拼接,可能對管流量有一些影響,由于管子數(shù)量多,影響可以忽略。因此為搶時間,采取在爐內(nèi)短接方案。將后屏A-B第16屏最內(nèi)圈更換為短接U型,短接U型的材質(zhì)為TP347H（事先準(zhǔn)備好的彎管）,管規(guī)格為φ47.6 mm×8.74 mm。此U型管拼接后共5個焊口。

現(xiàn)場搶修焊接工作全部完成后,對全部后屏管進行氧化皮拍片檢查,未發(fā)現(xiàn)有大量堆積,只有B側(cè)第8屏北側(cè)起第19根管有少量氧化皮堆積。

3 異常原因分析

本次后屏過熱器爆管的管子材質(zhì)為SA213-T23,規(guī)格為φ44.5 mm×7.14 mm。ASME SA-213T23鋼是日本于20世紀(jì)80年代研制的一種用于超臨界發(fā)電機組的新型低合金高強度耐熱鋼[1]。該鋼是在2.25Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上,加鎢、減鉬、降低碳含量,同時加入了少量的鈮、釩、硼元素,使鋼的持久強度大幅度提高,在550～625 ℃溫度范圍內(nèi)許用應(yīng)力約是2.25Cr-1Mo鋼的1.8倍,幾乎可與 T91鋼相媲美,其焊接性能優(yōu)異,不需焊前預(yù)熱和焊后熱處理[2,3]。

從近20年的使用情況看,該材料在高參數(shù)情況下易被蒸汽氧化以及焊接接頭易產(chǎn)生裂紋,現(xiàn)已逐步退出高參數(shù)鍋爐選材范圍。有研究表明,從微觀尺度上看,T23鋼氧化皮分層現(xiàn)象極為顯著,層間存在大量空洞、微裂紋和缺陷,其應(yīng)用于亞臨界機組并導(dǎo)致的堵塞爆管事故極多。仍然有超臨界機組的高溫受熱面的入口段使用T23鋼,從其氧化皮結(jié)構(gòu)和剝落特征來看,T23鋼氧化皮剝落的隱患始終是存在的,幾乎不存在穩(wěn)定期[4]。

觀察爆口的形貌,爆管部位管子爆口張開較大,且呈喇叭狀,破口邊緣銳利、兩側(cè)壁厚明顯減薄。尺寸：長110 mm×寬70 mm。邊緣減薄較多,內(nèi)壁受蒸汽沖刷表面光滑,爆口外壁存在多處縱向蠕變裂紋,短時過熱爆管特征明顯。

對該管取樣進行化學(xué)元素成分分析,見表1,可以看出,其化學(xué)元素成分與含量符合ASME SA213M標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分測試結(jié)果 %

對該管爆口附近（距爆口上、下邊緣50 mm處,分別編號為測點1、測點2）進行外觀尺寸測量,見表2,可以看出,該管子正常部位脹粗量正常,壁厚減薄量在允許范圍內(nèi)。

表2 外觀尺寸測量

后屏過熱器在正常運行工況下,后屏進口汽溫小于450 ℃,經(jīng)過吸熱后一般到510 ℃左右,考慮到高溫?zé)煔鉁囟?再增加60 ℃,爐內(nèi)管壁溫大致推算為570 ℃,也在材料的允許溫度范圍內(nèi),一般不會引起爆管。要達(dá)到類似本次的超溫爆管,大致推算管壁溫度要超過625 ℃。另外結(jié)合爆口宏觀形貌分析,該根后屏過熱器管爆口呈現(xiàn)比較典型的短時過熱爆管特征,系超溫幅度大導(dǎo)致。

從CRT看,從啟動轉(zhuǎn)干態(tài)后,該點05-BATP442R溫度一直較高,超過報警值（560 ℃）,后緩慢上升到超過600 ℃,爐內(nèi)管壁溫度將超過650 ℃,大大超過T23鋼溫度允許值。

超溫應(yīng)該與機組啟動初期該管屏內(nèi)蒸汽汽流不暢受堵塞有關(guān)。而堵塞可能與內(nèi)部異物、水塞或內(nèi)壁剝落氧化皮等因素有關(guān)。

研究表明：T23鋼制過熱器管在570 ℃、25.4 MPa下運行10 874 h后內(nèi)壁氧化層厚已達(dá)0.12～0.26 mm,脫落掉的氧化層厚度為0.09～0.12 mm,且同一根管樣在不同位置內(nèi)壁氧化層厚度存在較大的差異。T23鋼過熱器管內(nèi)壁氧化皮脫落形式有大片狀和橢圓狀,氧化皮形成鼓包而脫落,在管內(nèi)壁留下橢圓狀的脫離斑痕,鼓包一般呈橢圓狀,焊接接頭形狀變化處的氧化皮易呈鱗片狀脫落[5]。

從本次爆管來看,初步判定由管內(nèi)氧化皮堵塞引起。主要原因如下：

1）啟動轉(zhuǎn)干態(tài)后,發(fā)現(xiàn)有3根管管壁溫度偏高,分別是05-BA-TP441B442R442T,經(jīng)過變負(fù)荷參數(shù)振蕩后有2根管管壁溫度下降到正常值,分別是05-BA-TP441B442T,應(yīng)該是內(nèi)部氧化皮脫落堵塞后經(jīng)過參數(shù)振蕩沖通。

2）對于超臨界鍋爐,氧化皮的生成和剝落堆積是不可避免的,且具有隨機性。脫落的T23鋼氧化皮呈片狀,當(dāng)?shù)拓?fù)荷汽流量小時不一定能將其帶走,就有可能堆積在下部彎頭區(qū)域?qū)е職饬鞑煌?引起管壁超溫。自機組投產(chǎn)以來,也不可避免地發(fā)生多次因氧化皮剝落堆積造成爐管爆管的停爐事件。

3）該根爆漏管內(nèi)壁有較厚氧化皮,并有局部脫落的現(xiàn)象,見圖6。

圖6 爆漏管內(nèi)壁氧化皮

4）機組在本次調(diào)停時進行了停機不停爐試驗,在停機過程中因主汽壓力設(shè)定值與實際壓力偏差,發(fā)電機逆功率跳閘聯(lián)跳汽機,鍋爐MFT動作。跳機后鍋爐馬上又點火繼續(xù)進行試驗,導(dǎo)致主汽溫度變化速率達(dá)到近10 ℃/min,如圖7所示,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了溫度變化速率標(biāo)準(zhǔn)（3 ℃/min）,可能會引起氧化皮疏松脫落。

圖7 主蒸汽溫度曲線

5）停機后,對后屏進行內(nèi)部彎頭氧化皮堆積檢測,未發(fā)現(xiàn)有堆積現(xiàn)象。在機組啟動階段,有可能會引起疏松的氧化皮脫落（搶修結(jié)束后,對后屏檢查,發(fā)現(xiàn)個別管內(nèi)有氧化皮脫落現(xiàn)象,見圖8）。

圖8 后屏B5-21彎頭氧化皮堆積底片

6）高再換管割下的管內(nèi)有氧化皮脫落的現(xiàn)象,并且內(nèi)壁氧化皮疏松,有隨機脫落的可能,見圖9。

圖9 高再換管內(nèi)壁氧化皮

由此說明氧化皮脫落存在隨機性。

鑒于以上情況分析,本次爆管是由氧化皮堆積引起短期超溫的可能性比較大。

4 暴露的問題

1）機組調(diào)停時進行了停機不停爐試驗,導(dǎo)致主汽溫度變化速率達(dá)到近10 ℃/min,超過防氧化皮防治措施中的要求。

2）后屏壁溫測點#1實際設(shè)置部位與原始設(shè)置不一致,以為該壁溫點05-BA-TP442R對應(yīng)管材為TP347H,因此控制溫度定為610 ℃,這加速了T23鋼管爆管進程。如果當(dāng)時確認(rèn)是SA213-T23管,則會將壁溫控制在575～580 ℃范圍內(nèi)。由于剛轉(zhuǎn)干態(tài),投脫硝系統(tǒng),溫度要往下降也困難,升負(fù)荷更不可能,可能會在580 ℃左右運行較長一段時間,除非氧化皮沖通或者停爐后處理,否則也會導(dǎo)致超溫爆管。

3）鍋爐增容改造后,對于后屏過熱器來說,管內(nèi)壓力、煙氣溫度及進汽溫度均有提高,屏過又處在爐膛高煙溫區(qū)域,因此運行環(huán)境更加惡劣,易生成氧化皮。后屏過熱器受熱面管子的規(guī)格、材質(zhì)、設(shè)計壁溫見表3。

表3 后屏過熱器設(shè)計資料

5 預(yù)防措施

1）按照鍋爐廠提供的鍋爐改造方案熱力計算匯總表(見表4),后屏過熱器出口汽溫改為511 ℃,需加強對后屏汽溫的控制,適當(dāng)提高一級減溫水比例,盡量保證不超溫；

表4 熱力計算匯總表 ℃

2）鍋爐升級改造后,實際提高了各受熱面的進口溫度,壓力和煙溫都有提高。應(yīng)盡快進行管材升級改造,減少氧化皮產(chǎn)生、剝落對鍋爐的風(fēng)險；

3）核對受熱面壁溫測點,與實際位置一致,并在受熱面布置圖上正確標(biāo)注；

4）梳理并統(tǒng)計后屏管壁溫度,對運行中管壁溫度長期超過530 ℃的SA213-T23管子,檢修時對其高溫段進行割管取樣分析,檢測高溫力學(xué)性能、金相組織等材料劣化狀況；

5）停爐檢修時,對受熱面管下彎頭部位進行氧化皮堆積檢測抽查,有條件時,對受熱面管內(nèi)壁進行氧化皮厚度測量,監(jiān)控內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生和脫落情況；

6）建議對鍋爐運行規(guī)程進行修訂,增加如下內(nèi)容：調(diào)停機組停運時,原則上不安排易引起氧化皮脫落的試驗。