王 坤

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司 西北電力試驗(yàn)研究院, 西安 710021)

在水管鍋爐中,過(guò)熱器管是重要的受壓元件之一,可將一定壓力下的飽和蒸汽加熱干燥成相應(yīng)壓力下的過(guò)熱蒸汽。隨著電力工業(yè)的發(fā)展,對(duì)過(guò)熱蒸汽參數(shù)(溫度、壓力等)的要求不斷提高,過(guò)熱器管等受熱面管還受到煙氣和灰分沖刷磨損、高溫腐蝕、蒸汽氧化等影響,運(yùn)行條件非常惡劣,由此造成的管道爆裂已成為電廠非計(jì)劃停運(yùn)的最普遍、最常見(jiàn)形式,嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1-7]。某火電廠3號(hào)機(jī)組鍋爐為660 MW超臨界直流鍋爐,該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力、變壓運(yùn)行、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊、緊身封閉布置的Π型鍋爐,3號(hào)機(jī)組于2016年12月投產(chǎn),截至過(guò)熱器懸吊管泄漏停機(jī),該機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行約3.9萬(wàn)h。

泄漏點(diǎn)位于鍋爐電梯8層標(biāo)高約63 m處,位置如圖1所示,兩根泄漏管現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。經(jīng)問(wèn)詢得知,該機(jī)組最近一次檢修時(shí)間為2022年2～3月,檢修期間對(duì)部分受熱面管進(jìn)行了更換,更換范圍包括水平煙道高溫再熱器管、尾部煙道低溫再熱器管以及爆管涉及的中隔墻過(guò)熱器懸吊管。爆管事件發(fā)生日期距設(shè)備啟動(dòng)僅40多天。為查找管道爆裂原因,筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)過(guò)熱器懸吊管爆裂原因進(jìn)行分析,并提出改進(jìn)建議,以避免類似事故再次發(fā)生。

圖1 泄漏點(diǎn)位置示意

圖2 兩根泄漏管現(xiàn)場(chǎng)照片

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),第27排管爆口1的面積較小且形狀細(xì)長(zhǎng),外壁存在較厚的呈縱向開裂的黑色氧化皮,外表面較臨近管顏色更深,并且未見(jiàn)磨損和機(jī)械損傷現(xiàn)象;第28排管爆口2位置的管壁及防磨瓦吹損嚴(yán)重,管壁未見(jiàn)明顯脹粗;第27排管爆口3位置管壁存在明顯的吹損減薄痕跡,實(shí)測(cè)厚度約為4 mm,該處脹粗明顯,爆口3邊緣鋒利且爆口下邊緣外翻,該處爆口位置下方的U型管卡以及附近防磨瓦均存在吹損痕跡。此外,兩根管之間的定位板同樣存在沖刷吹損痕跡,靠爐前側(cè)已被吹損至穿透。兩根泄漏管現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)位置及爆口宏觀形貌如圖3～5所示,定位板吹損沖刷痕跡如圖6所示。

圖4 第27排管爆口宏觀形貌

圖5 第28排管爆口宏觀形貌

圖6 定位板吹損沖刷痕跡

根據(jù)DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》,在役機(jī)組鍋爐受熱面管壁厚應(yīng)滿足GB/T 16507.4—2013 《水管鍋爐 第4部分:受壓原件強(qiáng)度計(jì)算》中的管道最小需要厚度,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16507.4—2013對(duì)過(guò)熱器懸吊管最小需要厚度進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如式(1),(2)所示。

δmin=δt+C1

(1)

(2)

式中:δmin為懸吊管最小需要厚度;δt為計(jì)算厚度;C1為腐蝕裕量;p為計(jì)算壓力;D0為管子外徑;φmin為最小減弱系數(shù);[σ]為材料許用應(yīng)力。

查閱鍋爐廠設(shè)計(jì)資料得知,該過(guò)熱器懸吊管相關(guān)計(jì)算參數(shù)為:p=29 MPa,φmin=1,[σ]=127.4 MPa,C1=1 mm。通過(guò)計(jì)算可得δmin≈6.21 mm。即當(dāng)懸吊管受到泄漏蒸汽或高溫?zé)煔獬掷m(xù)沖刷后,管壁減薄至最小需要厚度時(shí),會(huì)因強(qiáng)度不足而發(fā)生爆管事故。

現(xiàn)場(chǎng)還對(duì)兩根泄漏管爆口的臨近管材進(jìn)行了硬度測(cè)試,第27排管爆口1上方約8 m處的母材實(shí)測(cè)硬度為115～120 HB,低于標(biāo)準(zhǔn)下限(DL/T 438—2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定15CrMoG鋼的硬度為125～170 HB),向下約3 m、位于低溫再熱器第1層至第2層之間的母材實(shí)測(cè)硬度為130～140 HB,符合標(biāo)準(zhǔn)要求;第28排管爆口2的臨近母材實(shí)測(cè)硬度為140～160 HB,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)該過(guò)熱器懸吊管泄漏管進(jìn)行取樣,取樣部位為低溫再熱器第1層上方靠爐前側(cè)左數(shù)第27排和第28排過(guò)熱器懸吊管爆口上方附近母材處。管樣編號(hào)、規(guī)格(外徑×壁厚)、材料、位置如表1所示。

表1 管樣編號(hào)、規(guī)格、材料、位置

參照GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》,使用光譜分析儀對(duì)1號(hào)、2號(hào)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知:1號(hào)、2號(hào)試樣的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 1號(hào)、2號(hào)試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

依照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分:室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 5310—2017,對(duì)1號(hào)、2號(hào)試樣爆口上方母材制取拉伸試樣,并對(duì)試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率等3個(gè)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn),取樣部位為爆口上方臨近母材處(見(jiàn)圖7),室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明:1號(hào)拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率不符合GB 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)要求,屈服強(qiáng)度滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求;2號(hào)拉伸試樣的3個(gè)室溫力學(xué)性能均滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 1號(hào)、2號(hào)試樣的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖7 拉伸試樣取樣位置

1.4 布氏硬度測(cè)試

對(duì)1號(hào)、2號(hào)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試,結(jié)果如表4所示。1號(hào)試樣實(shí)測(cè)硬度低于DL/T 438—2016標(biāo)準(zhǔn)要求下限,2號(hào)試樣實(shí)測(cè)硬度符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 1號(hào)、2號(hào)試樣的硬度測(cè)試結(jié)果 HB

1.5 金相檢驗(yàn)

在爆裂管上制取金相試樣,使用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣橫截面進(jìn)行觀察。1號(hào)試樣(27排)爆口處及爆口對(duì)側(cè)母材的顯微組織均為鐵素體+碳化物,珠光體區(qū)域及形態(tài)基本消失,碳化物在晶界呈鏈狀、球狀分布,珠光體球化級(jí)別均為4.5級(jí),晶粒度均為7～8級(jí),1號(hào)試樣爆口處顯微組織形貌如圖8所示,1號(hào)試樣爆口對(duì)側(cè)顯微組織形貌如圖9所示。2號(hào)試樣(28排)爆口處及爆口對(duì)側(cè)母材的顯微組織均為鐵素體+珠光體,珠光體球化級(jí)別均為1.5級(jí),晶粒度均為7級(jí)[8-9],2號(hào)試樣爆口處顯微組織形貌如圖10所示,2號(hào)試樣爆口對(duì)側(cè)顯微組織形貌如圖11所示,2號(hào)試樣的顯微組織未見(jiàn)異常。

圖8 1號(hào)試樣爆口處顯微組織形貌

圖9 1號(hào)試樣爆口對(duì)側(cè)顯微組織形貌

圖10 2號(hào)試樣爆口處顯微組織形貌

圖11 2號(hào)試樣爆口對(duì)側(cè)顯微組織形貌

2 綜合分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)兩根泄漏管的相對(duì)位置、室溫力學(xué)性能、爆口形貌、爆口附近母材實(shí)測(cè)硬度、顯微組織以及U型管卡、防磨瓦和定位板等部件沖刷吹損痕跡的綜合分析認(rèn)為,兩根泄漏過(guò)熱器懸吊管爆口的形成過(guò)程如下所述。

第27排管爆口及臨近母材的宏觀形貌和顯微組織符合長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱特征,而第28排管爆口附近管材各項(xiàng)性能均合格,因此推斷第27排管爆口1為初始泄漏位置。部分泄漏蒸汽將爐右方向正對(duì)的第28排管吹漏形成爆口2,爆口2泄漏的蒸汽再向爐左方向一定范圍內(nèi)吹掃,觀察定位板沖刷吹損痕跡,可見(jiàn)爆口2部分泄漏蒸汽吹出的方向如圖6箭頭所示,泄漏蒸汽受定位板阻擋反射后,繼續(xù)向圖4所示第27排管位置a、b處箭頭所示的方向吹掃,將這幾處位置的管壁、U型管卡以及附近防磨瓦吹損,該處管壁不斷減薄,其中位置a處管壁吹損減薄最嚴(yán)重,受內(nèi)部介質(zhì)壓力影響,該處管道不斷脹粗,當(dāng)管壁減薄至強(qiáng)度無(wú)法承受內(nèi)部介質(zhì)壓力時(shí),管道最終爆破形成爆口3。圖4位置c、d處損傷為爆口1泄漏蒸汽吹損導(dǎo)致。

在制取金相試樣時(shí),發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)壁多處位置附著有體積、大小不一的黃白色垢樣(見(jiàn)圖12),經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)垢樣是未完全融化的水溶紙。使用內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)過(guò)熱器懸吊管進(jìn)、出口集箱管座以及檢修更換的其余過(guò)熱器懸吊管的內(nèi)部均附著有類似未完全融化的水溶紙等異物。

圖12 試樣內(nèi)壁附著異物外觀

3 結(jié)論及建議

綜上所述,該管爆管泄漏的原因是:在檢修懸吊管并更換部分管段時(shí),管內(nèi)填塞水溶紙過(guò)多、過(guò)緊,水溶紙團(tuán)遇到高溫介質(zhì)后未完全融化,變成硬質(zhì)物塊掛附在焊口或被介質(zhì)沖至管內(nèi)其他位置,導(dǎo)致管內(nèi)有效流通面積變小;過(guò)熱器懸吊管進(jìn)、出口集箱管座接口處貼附有大量異物,同樣會(huì)造成管內(nèi)有效流通面積變小,使得介質(zhì)對(duì)管道冷卻不足,布置在尾部煙道高溫區(qū)域的懸吊管發(fā)生長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱現(xiàn)象,材料強(qiáng)度下降,最終引起爆管。

為了避免該類問(wèn)題再次發(fā)生,建議進(jìn)行以下操作。

(1) 在受熱面管檢修更換過(guò)程中,加強(qiáng)懸吊管對(duì)口前側(cè)內(nèi)部清潔度檢查以及水溶紙的規(guī)范使用,避免因雜質(zhì)、異物或水溶紙過(guò)量使受熱面管內(nèi)部有效流通面積減小。

(2) 加強(qiáng)機(jī)組檢修過(guò)程中防磨、防爆檢查質(zhì)量的把控,重點(diǎn)排查懸吊管是否存在變色、脹粗、外壁氧化層明顯增厚以及飛灰沖刷區(qū)域管壁減薄明顯等情況,同時(shí)要兼顧檢查覆蓋面,管道的防磨瓦、卡塊等部件均要仔細(xì)檢查。針對(duì)易發(fā)生缺陷部位,在加強(qiáng)宏觀檢查的基礎(chǔ)上,可輔助硬度測(cè)試、蠕脹測(cè)量以及表面無(wú)損檢測(cè)等手段。

(3) 完善受熱面管壁溫檢測(cè),必要時(shí)可增加管壁測(cè)溫點(diǎn),以全面監(jiān)測(cè)爐管運(yùn)行情況,并定期做好運(yùn)行溫度較高受熱面管的割管取樣檢查,及時(shí)掌握管子的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

(4) 嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程,加強(qiáng)燃燒控制與調(diào)整,避免爐膛溫度波動(dòng)較大,防止受熱面超溫運(yùn)行。