超臨界鍋爐過熱器爆管分析

內容摘要：介紹一起超臨界直流鍋爐末級過熱器爆管事故，采用宏觀檢查、壁厚測量、蠕脹測量等檢驗檢測方法，分析查找爆管原因，提出相關建議和措施。

     某廠一臺600MW發電機組1950t/h超臨界鍋爐，于2001年9月23日投入使用，2004年4月22日運行中發現該機組給水量突然增加，在九、十層爐前及爐右側確認爐膛有泄漏聲音。4月23日緊急停爐，檢查發現末級過熱器出口高溫段左起第43排前起第20根管爆破。該鍋爐由日本三菱重工業株式會社設計制造，主要技術參數為，zui大允許工作壓力：25.9MPa，設計出口溫度：542℃，zui大連續蒸發量：1950 t/h；補給水處理方式：混床精處理除鹽水；燃燒方式：雙切圓燃燒。

一、爆管基本情況

該鍋爐末級過熱器共44排，每排共30根，爆口位于右側出口高溫段，鍋爐頂棚向上約1米位置，該處管子規格為Φ48.6×7.4mm，材質為SA213-T91。

爆破口沿管子軸向（縱向）開裂，基本展開成平面，管子由于爆管發生扭曲變形；縱向裂口位于迎風面約45^o的位置，縱向斷口壁厚減薄，附近管子有明顯脹粗跡象，爆口具體位置及形貌如圖1、圖2所示。

            圖1  爆口位置                         圖2 爆口形貌

二、檢驗檢測

為查找過熱器爆管原因，筆者在查看現場爆口形貌及查閱有關技術資料的基礎上，采用壁厚測量、蠕脹測量、射線檢測、化學分析、壁溫測定及微觀檢查等檢驗檢測方法，對末級過熱器進行了檢測分析。

（一）壁厚測量

對發生爆管的相鄰管排進行壁厚測量，實測結果見表1，測點部位見圖3。實測壁厚數值顯示，左起第42排前起第23根至第30根管子減薄明顯。由此可以推測：左起第43排前起第20根管子zui先泄漏處應為向左偏爐后位置，泄漏的蒸汽對著第42排管子吹掃，造成左起第42排前起第23根至第30根管子磨損減薄。

                          表1   左起第42排管子實測壁厚數值                  mm

備注：1、*行序號20表示前起第20根管子，*列序號A表示測點位于示意圖中A處位置，依此類推；

2、A處及B處管子公稱壁厚均為7.4mm，C處管子公稱壁厚為8.2mm。

圖3  壁厚測量部位示意圖                  圖4  脹粗測量部位示意圖

（二）蠕脹測量

對末級過熱器出口管段進行蠕脹測量，測量結果見表2，測量部位見圖4。從表2看,左起第35排至第44排前起第20根管子T91材質管段有脹粗跡象，其中左起第41排、第42排前起第20根管子明顯脹粗，蠕脹率超過了合金鋼管子脹粗2.5%的換管標準。

                           表2 前起第20根管子外徑測量數值                     mm

備注：1、*行序號1表示左起第1排（前起第20根管子），*列序號A表示游標卡尺置于示意圖中A向位置，依此類推；

2、管子公稱壁厚外徑為48.6mm。

（三）射線檢測

為檢查彎頭內部是否沉積異物，對末級過熱器管排前起第19根與第20根間彎頭進行射線檢測，檢測結果見圖5，檢測位置見圖6。從圖5可見，除左起第31排前起第19根與第20根間彎頭內部沒有異物外，其他管排均有異物沉積，其中左起第40排異物zui多，堵塞率高達89%。

圖5  前起第19根與第20根間彎頭內部異物沉積堵塞率曲線圖

備注：橫坐標＃1表示前起第1排管，縱坐標20表示彎頭內部異物沉積堵塞率為20％，依此類推。

圖6  RT檢測部位及異物沉積部位示意圖             圖7 彎頭內部沉積物相片

（四）化學分析

1、異物成份

從彎頭內部清理出來的沉積物顏色看，異物呈多層分布，下部為褐色，上部為灰色（見圖7）。為查明沉積異物成份，按垢樣分析程序對沉積物進行分析，發現異物主要由氧化皮、絮狀不銹鋼絲和不溶物三部分組成，分析結果見表3。

2、管子化學成份分析

對爆管取樣進行化學成份分析，結果見表4。從表4可見，爆管材質化學成份符合ASMESA213-T91的標準要求。

                             表3 沉積物按垢樣分析                            ％

                             表4 材質化學成份                               ％

（五）壁溫測定

經查閱爆管前的運行記錄發現，末級過熱器管排前起第20根、21根存在嚴重超溫現象，且右側管排壁溫比左側管排壁溫高，在負荷波動時，壁溫超溫更加嚴重。根據運行記錄數據顯示，左起第43排前起第20根管子壁溫經常超溫，zui高達到635℃，遠超過SA213-T91材料的極限溫度585℃。

（六）微觀檢查

用金相顯微鏡對爆口斷裂邊緣橫斷面進行檢查，發現爆口部位壁厚減薄，爆口端部存在許多細小的微裂紋和孔洞，這些微裂紋和孔洞沿晶分布，具有典型的蠕變損傷特征。對末過前起第20根管子出口管段（爆口標高位置處）進行金相分析，結果表明部分管子存在金相組織劣化現象。

此外，割管檢查還發現，前起第20根過熱器管子內壁存在氧化皮，厚度約為0.2mm；硬度測定結果符合要求。

三、原因分析

據了解，該末級過熱器結構曾經鍋爐制造廠進行改造時，增加了管排受熱面，但未進行水動力的重新分配計算；改造后使得前起第20根管子流程增長了19m（改造前后長度分別為：23.3m和42.3m），彎頭內側曲率半徑變小到29mm。

隨著管子流程增長和彎曲半徑變小，相應地管子彎頭數量和焊口數量增多、彎管內徑變小，造成了過熱蒸汽流動阻力增大、流速變緩、流量減小，這是導致前起第20根至第23根管子管壁容易超溫的根本原因。

由于末級過熱器處于爐膛出口高熱負荷區域，加之運行中存在爐膛熱負荷偏差（右側燃燒溫度比左側高），加劇了末級過熱器右側管排的超溫；而超溫又使得管子內壁容易生成氧化皮，當溫度變化幅度較大時（如：鍋爐的快速啟停），造成了氧化皮的大量脫落，脫落的氧化皮和檢修時不小心帶入的異物在彎管內沉積，使得超溫進一步惡化，并zui終導致末級過熱器出口高溫段左起第43排前起第20根管子過熱、脹粗，直至爆管。

綜上所述，筆者認為爆管原因為：末級過熱器結構設計不合理，運行時燃燒調整不當，造成管子長期過熱，導致蠕變失效而爆破。

四、建議與措施

針對該臺鍋爐存在的問題，建議如下：

首先，對不合理的末級過熱器管排結構進行設計改造，改造方案由原鍋爐設計制造單位或其他有相應資質的單位提供，但方案至少應考慮以下幾點：

1、         驗證結構是否合理，增加水動力和阻力計算；

2、         為減少異物堵塞危險，加大內側管排的彎曲半徑；

3、         為避免蒸汽流動阻力增大，減少前起第20根至第23根管子的長度；

4、         為加強管壁溫度監控，增加管壁溫度測點；

5、         為增強管子耐高溫性能及抗拉強度，提高原有材料設計等級（如：將SA213-T91更換為SA213-TP347H）。

其次，對鍋爐的燃燒進行調整，優化鍋爐燃燒，減小爐膛左右溫差；在鍋爐啟停過程中，盡可能避免采取急速冷卻的方式，適當提高停爐放水的壓力，防止彎管積存水；在鍋爐檢修時，應采取有效措施，防止和減少異物落入管內。

zui后，對超溫的過熱器管進行壽命評估，更換金相組織已嚴重劣化或磨損嚴重的受熱面管。

六、結束語

2005年檢修期間，按鍋爐設計制造單位提供的方案對末級過熱器進行了改造，改造后一直運行到2006年5月鍋爐定期內部檢驗，檢驗時未發現末級過熱器管子脹粗或彎內氧化皮堆積現象。

參考文獻：

1、顧克宏，“#3爐3SH爆管原因分析的匯報”， 2004年5月；

2、三菱重工業株式會社，“三級過熱器出口管座不合適改造建議書”，2004年10月；

3、華陽電業有限公司，“CP-1#3電站鍋爐使用登記簿”， 200