張保山

（國能國華（北京）燃氣熱電有限公司，北京 100024）

以我國某個燃氣電廠的余熱鍋爐為例，該鍋爐配二拖一蒸汽輪機，從2016 年開始進行投運，最近一段時間，監(jiān)盤工作人員發(fā)現(xiàn)該鍋爐高壓給水流量異常，進行檢查，發(fā)現(xiàn)零米煙道有異常聲音存在，有蒸汽在模塊下部冒出。停機后發(fā)現(xiàn)疏水管爆裂，該疏水管的規(guī)格為φ60mm*5mm，材質(zhì)為20G。溫度為321℃，壓力為10.56MPa。

1 余熱鍋爐技術

1.1 螺旋鰭片管束換熱計算方法

在余熱鍋爐中，燃氣輪機排煙溫度在500～600℃之間，通常煙氣和汽水介質(zhì)換熱溫壓要低于鍋爐，為了布置緊湊，節(jié)省鋼材，受熱面采取螺旋鰭片管來替代光管。

在鍋爐性能設計中其熱力計算是非常重要的，而受熱面的多少是對熱效率、參數(shù)以及鍋爐出力的根本保證。目前，我國對于螺旋鰭片管的換熱計算還沒有標準的方法，對于鍋爐熱力計算采取的是國外方法，但是在實際的應用當中存在局限性。一方面是結(jié)構參數(shù)，另一方面對于燃氣輪機換熱計算差異不能充分體現(xiàn)。

1.2 煙氣流動特性

燃氣輪機速度高，排煙量大，速度場和溫度場不均勻，這樣的氣動熱力特點，會使得余熱鍋爐不均勻的傳熱導致結(jié)構發(fā)生破壞。國外維修鍋爐問題有些出現(xiàn)在入口煙道，煙道護板泄漏，大塊護板脫落。對于余熱鍋爐引排煙進入鍋爐個體，所以需要對入口煙道的尺寸以及形態(tài)進行優(yōu)化設計，隨著煙道斷面以及容量擴大，研究煙氣流動性十分必要。

我國有些廠家對入口煙道流動特性進行模擬，能夠得到壓力場、溫度場以及速度場的分布情況，對入口煙道的結(jié)構不斷的進行優(yōu)化。此外，對于煙道形狀特性還可根據(jù)冷態(tài)空氣動力裝置來進行校核。

1.3 余熱鍋爐適應快速啟動特性

燃氣輪機的冷天啟動只需要20min，為了使得機組對快速啟動進行適應，多采取單軸以及無旁路煙道循環(huán)布置，對于余熱鍋爐需要有快速啟動的特性。主要在余熱鍋爐的護板、煙道、螺旋鰭片管束以及鍋筒等結(jié)構上進行反映。

因為余熱鍋爐蒸汽壓力比較低，在啟動中升壓以及升負荷比較快，鍋筒會涌入很多汽水。所以，余熱鍋爐鍋筒的容量以及直徑要更大。對于鍋筒水位變化在啟動中進行適應，汽水分離裝置采取水下孔板，對于鍋筒水位計要有保護水位、報警水位的要求。螺旋鰭片管束要采取熱惰性小、管壁薄以及小管徑材質(zhì)，對于鍋爐的護板以及煙道結(jié)構也要盡可能的對熱慣性進行減少，以此來對快速啟動進行適應。鍋爐煙道大部分采取的是非金屬軟性膨脹節(jié)，機組越大，快速啟動要求就越高。

1.4 優(yōu)化熱力系統(tǒng)參數(shù)

余熱鍋爐熱力系統(tǒng)具有低壓汽水系統(tǒng)與多壓的過熱蒸汽系統(tǒng)。而對于余熱鍋爐的排煙溫度，接近點溫差以及窄點溫差也要合理的進行確定。對于蒸汽輪機和鍋爐的熱力參數(shù)的選擇需充分的進行優(yōu)化，以此來獲得蒸汽輪機的最大熱效率以及功率，對于機組的投資也要盡可能地進行降低。

1.5 余熱鍋爐結(jié)構

對于鍋爐的性能和其結(jié)構設計有著很大的關系，需要足夠的重視。通過實踐能夠表明，鍋爐結(jié)構問題是很重要的，因此需要不斷的進行改進以及完善。而設計對大型鍋爐的國外相同產(chǎn)品結(jié)構進行借鑒。

1.6 其他先進技術

在聯(lián)合發(fā)電中，當汽輪機或者是熱電聯(lián)供發(fā)電功率比排煙能量大時，余熱鍋爐可采取補燃技術。排煙中含氧量達到17%，多采取管道隔柵式補燃裝置對鍋爐進行補燃。為了對排放指標降低，提升環(huán)保要求，在余熱鍋爐中安裝的有還原裝置以及降低NOx排放催化劑系統(tǒng)。

2 失效部位的宏觀特征

在疏水管的豎直管段發(fā)生爆漏，該段撕裂為上下部爆口，中間鐵片。爆口邊緣沒有毛刺與剪切唇等變形，在鐵片表面能夠看到很多軸向裂紋，這和長期過熱的情況是相符的。疏水管的規(guī)格為φ60mm*5mm，管脹粗明顯，最嚴重達到了71.2mm，脹粗量達到了外徑的19%，脹粗管段離爆口越近越明顯。

3 分析材質(zhì)成分

從水平管和爆口進行取樣，根據(jù)全譜直讀光譜儀來分析化學成分，結(jié)果如下表1 所示。取樣管材質(zhì)正常，和GB/T5310-2008 文件中的20G 鋼標準中的要求相符。

表1 成分分析

4 金相組織分析

對鐵片取樣進行分析，根據(jù)DL/T674-1999 文件中的評級標準，來對該組織的球化進行分級，該區(qū)域組織完全球化，達到了5 級。在距離爆口大約50cm 處進行金相取樣，該區(qū)域組織輕度球化，級別為2.5 級。

在有著明顯脹粗的部位進行取樣，該區(qū)域組織中度球化，級別為4.5 級。豎直管下彎頭為中度球化，級別為4 級。

有很多黑色塊狀相存在爆口的附近，根據(jù)能譜分析結(jié)果如下表2 所示，該區(qū)域的碳含量達到了96.71%，由此能夠確定，石墨化發(fā)生在該區(qū)域，根據(jù)DL/T786 文件中的標準，對該區(qū)域的石墨化判定為輕度。

表2 能譜分析結(jié)果

另外，各部位的氧化皮厚度從水平段到豎直段彎頭較為均勻，內(nèi)外壁氧化厚度在51～89μm 之間，取縱向爆口試樣，材質(zhì)中沒有明顯的夾雜物。

5 力學性能測試

5.1 硬度試驗

分別采取爆口試樣A、B，以及豎直與水平管段試樣進行硬度測試，結(jié)果如表3 所示。爆口部位硬度比其他的部位要高，可推斷該區(qū)域在爆裂時發(fā)生變形導致加工硬化情況。

表3 硬度測試結(jié)果

5.2 室溫拉伸性能

從水平管段取縱向試樣進行拉伸試驗，結(jié)果如表4所示，試樣的平均抗拉強度比20G 材料的要求要低，其他指標符合要求。

表4 室溫拉伸性能

6 分析與討論

根據(jù)夾雜物以及光譜成分分析，疏水管的材質(zhì)為20G，沒有發(fā)現(xiàn)夾雜物超標。爆口附近脹粗明顯，有縱向裂縫存在，可看出是長期過熱失效的特征。豎直管段珠光體達到4 級或以上的球化級別，而水平管段的珠光體為輕度球化。由此能夠看出，疏水管垂直段老化以及脹粗情況非常明顯，在爆口上方水平段老化以及脹粗現(xiàn)象也較為明顯，而離爆口區(qū)域較遠的材質(zhì)只有比較輕的損傷。

爆口邊緣金相存在石墨化的情況，而這種現(xiàn)象會對材質(zhì)的性能造成嚴重影響，從而使得材料處在一個脆性的狀態(tài)。根據(jù)DL/T715-2015 文件中提到的20G 材質(zhì)在壁溫小于430℃的聯(lián)箱與蒸汽管道中較為適用，而在471～479℃之間長期運行，珠光體會發(fā)生石墨化以及球化的情況，因此，失效的豎直管道能夠推斷出其在石墨化溫度區(qū)間內(nèi)，比該管的設計壁溫要高的多，所以在運行過程中，疏水管材質(zhì)發(fā)生嚴重劣化，最終導致爆管脹粗的情況發(fā)生。

從室溫拉伸性能來看，拉伸強度要比GB/T5310-2008 文件中要求的下限值低，由此能夠看出，疏水管的材質(zhì)已經(jīng)發(fā)生老化，性能降低。

從結(jié)構上來看，該部位在隔倉內(nèi)，因為受熱面和隔倉煙氣通道之間沒有進行密封，存在著高溫煙氣流動到隔倉，從而使得該部位有著較高的溫度。并且在機組運行過程中，該疏水管的閥門是關閉的，管內(nèi)介質(zhì)不能流動換熱，從而使得疏水管偏離設計值，和環(huán)境溫度較為接近，所以該材質(zhì)對使用要求不能滿足。

7 結(jié)語

泄漏疏水管有著明顯的老化與脹粗情況存在，爆口附近存在石墨化，由此說明該管處于一個長期的超溫，從而發(fā)生爆管。根據(jù)DL/T715-2015 文件中提出，20G 材質(zhì)在471～479℃之間長期運行，珠光體會發(fā)生石墨化以及球化的情況，由此能夠推斷出該管壁溫在471～479℃溫度區(qū)間內(nèi)，而20G 材質(zhì)達不到該溫度，對使用要求不能滿足。后續(xù)對燃氣電廠提出下面幾點建議：（1）對其他鍋爐的相同部位進行更換或者是維修檢查工作。（2）對該部位疏水管材質(zhì)等級進行提升。（3）安裝溫度測點在爆管區(qū)域，以此了解該區(qū)域的溫度情況。