鍋爐再熱出口主安全門導汽管彎頭漏泄的原因分析

劉俊國

(華電能源牡丹江第二發電廠，黑龍江 牡丹江 157015)

0 引言

火力發電廠鍋爐爐外管的漏泄與否是衡量鍋爐安全、經濟運行的重要指標。國電發［2000］589號文《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》3．4．1條規定:加強對爐外管道的巡視，對管系振動、水擊等現象應分析原因并及時采取措施。當爐外管道出現漏汽和漏水現象時，必須查明原因并采取措施，若不能與系統隔離進行處理，應立即停爐。

HG－670－13．7－YM9型鍋爐#1～#4再熱器出口安全門導汽管彎頭的工作溫度為540℃，工作壓力為2．5MPa，內部介質為高溫再熱蒸汽。由于設計上存在一定缺陷，#1～#4再熱器出口安全門導汽管內經常有凝結水形成，對管壁產生熱應力，管壁金屬組織在熱應力的作用下不斷發生變化最終形成裂紋發生漏泄。#1～#4再熱器出口安全門導汽管彎頭頻繁漏泄直接影響了鍋爐的安全穩定運行并造成一定的經濟損失，給鍋爐安全、穩定運行帶來極大的隱患。因此，有必要對#1～#4再熱器出口安全門導汽管彎頭漏泄原因進行分析并加以改進。徹底解決#1～#4再熱器出口安全門導汽管彎頭頻繁漏泄的問題。

1 再熱器出口安全門導汽管彎頭頻繁漏泄原因分析

HG－670－13．7－YM9型鍋爐#1～#4再熱器出口安全門導汽管布置在高溫段再熱器出口管道上，其中，#1，#3再熱器出口安全門導汽管布置在甲側高溫段再熱器出口管道上，#2，#4再熱器出口安全門導汽管共4根，導汽管布置在乙側高溫段再熱器出口管道上，其出口端是#1～#4再熱器出口安全門。導汽管的規格是?219mm×8mm，材質為12Cr1MoV，工作溫度為 540℃，工作壓力為 2．5 MPa。在鍋爐正常運行的情況下，#1～#4再熱器出口安全門處于關閉狀態。

1．1 熱疲勞現象

在鍋爐運行時，再熱器出口安全門導汽管入口處的溫度為540℃(即高溫段再熱器出口管內高溫再熱蒸汽的溫度)，由于#1～#4再熱器出口安全門處于嚴密關閉狀態，安全門附近導氣管內的再熱蒸汽是靜止不動的，受外界冷空氣的影響，再熱蒸汽的熱量散發到周圍的冷空氣中，溫度逐漸降低到接近生產廠房內的溫度(50～60℃)。隨著溫度的降低，會有一部分再熱蒸汽變成凝結水順著導氣管內壁流下，留出的空間由新的再熱蒸汽補充。隨著時間的推移和熱量的損失，新的再熱蒸汽又產生新的凝結水順著導氣管內壁流下。就這樣周而復始地形成凝結水，源源不斷地順著導氣管內壁流下。當凝結水下溜至導汽管水平段時，匯集在一起，這時的導氣管內既有再熱蒸汽，又有凝結水。由于再熱蒸汽和凝結水的密度不同，會產生重度差，在重力的作用下，形成汽水分層現象，如圖1所示。導氣管上部為再熱蒸汽、下部為凝結水，管中的水面在m位置和n位置之間波動，當水面波動到m位置時，m，n之間為水，由于水的導熱系數大，使金屬m，n部分溫度不會很高。當水面波動到位置n時，m，n之間為蒸汽，蒸汽的導熱系數較低，使得m，n段金屬溫度升高。導汽管中的水面在m，n段上、下進行變化，可以認為是周期性的波動，此段金屬的溫度也發生周期性的變化。這樣就會在導汽管中產生交變熱應力，使導汽管發生熱疲勞破壞，造成金屬熱疲勞。在再熱器出口安全門導汽管某些薄弱地方就會出現沿晶裂紋或者穿晶裂紋而發生漏泄。

圖1 導汽管內凝結水的形成及汽、水分層現象

1．2 工作條件的影響

對于12Cr1MoV鋼來說，溫度對于熱疲勞的影響較大，主要是最高溫度tmax、最低溫度tmin、溫度變化幅度Δt和平均溫度tm等因素，熱應變取決于循環溫度幅度，故產生一定深度裂紋的次數取決于循環溫度幅度，如圖2所示。隨著循環溫度幅度的增加，材料的熱疲勞強度下降。熱循環上限溫度對熱疲勞強度影響很大。對12Cr1MoV鋼的試驗表明，隨著tmax的提高，熱疲勞強度迅速降低。當tmax值足以引起組織變化時，影響就更大。若Δt不變，平均溫度提高，熱疲勞強度也降低。

圖2 試驗溫度對12Cr1MoV鋼熱疲勞強度影響

在圖2中，溫度幅度的影響ta=t2-t1，平均溫度的影響tm=1/2(t2-t1)。

12Cr1MoV鋼在高溫下應力松弛顯著，塑性變形增加。高溫保持時間增加，熱疲勞壽命降低。最高溫度下的保持時間影響更大，因為在高溫下循環塑性變形促使12Cr1MoV鋼析出相沿晶界析出的過程加快，最終使再熱出口安全門導氣管管壁產生裂紋而發生漏泄。

1．3 合金鋼物理性能的影響

12Cr1MoV鋼在彈性范圍內，熱應力σ為

式中:E為彈性模量;α為熱膨脹系數;Δt為熱循環上、下溫度差;K為與約束條件有關的系數。

12Cr1MoV鋼的彈性模量 E=2．1×105MPa，熱膨脹系數 α=1．28×10－5/℃(當溫度小于 600℃時)，當熱循環的上、下溫度差Δt=340℃，約束系數K=1時，其熱應力σ=914MPa，該應力值已經超過高溫下鋼的屈服點，從而產生塑性變形，熱應力σ隨溫度差Δt變化數值表見表1。

表1 熱應力σ隨溫度差Δt變化數值

由上式可知，熱應力的大小與12Cr1MoV鋼的彈性模量、熱膨脹系數、熱傳導系數等物理性能有關。大的熱膨脹系數對熱疲勞強度是不利的。即熱膨脹系數越大受到的約束應力也就越大，產生的熱應力相應增大，12Cr1MoV鋼在多次熱應力循環作用下金屬組織就會引起破壞。最終使再熱器出口安全門導氣管管壁產生裂紋而發生漏泄。

綜上所述，再熱器出口安全門導汽管漏泄的主要原因是導氣管內的溫度差超大，對導氣管管壁產生了過大的交變熱應力，造成12Cr1MoV鋼金屬組織的熱疲勞，隨著時間的推移，產生管壁金屬裂紋而發生漏泄。

2 改進措施

再熱器出口安全門導汽管彎頭金屬裂紋的主要原因是溫差過大而產生交變熱應力，造成金屬熱疲勞。若要防止溫差過大，就必須杜絕再熱器出口安全門導汽管內凝結水的形成。#1～#4再熱器出口安全門在運行時是嚴密關閉的(只有在再熱器超壓時才動作)，再熱蒸汽在導汽管內無法流動，如何才能使再熱器出口安全門導汽管內的再熱蒸汽形成有效的流動，還不影響整個鍋爐再熱蒸汽系統的正常運行。華電能源牡丹江第二發電廠技術人員通過深入的研究分析和論證，決定在#7鍋爐再熱器入口管(入口再熱蒸汽溫度為408℃)和#7鍋爐#1～#4再熱器出口安全門導汽管之間加設連通管，如圖3所示。利用再熱器入口壓力(2．7MPa)與出口的壓力(2．5MPa)差使再熱器入口管內的小部分再熱蒸汽通過新加設的連通管和再熱器出口安全門導汽管流入再熱器出口管(出口再熱蒸汽溫度為540℃)內，這樣，再熱器出口安全門導汽管內靜止不動的再熱蒸汽就會循環流動起來，減小了溫差，避免了凝結水的產生。同時，消除了交變熱應力，降低了管壁金屬組織的熱疲勞現象。

圖3 冷熱段再熱蒸汽連通管示意圖

利用鍋爐大、小修的機會在再熱器出口安全門導汽管彎頭上方豎管處(再熱出口安全門下3m處)和再熱器入口管處(再熱蒸汽三通閥入口側前10m出管段)開?32mm的圓孔，用?42 mm×5mm(12Cr1MoV)的合金鋼管(也就是冷熱段再熱蒸汽連通管)將2孔連接，由于再熱器入口的蒸汽壓力為2．7MPa，再熱器出口的蒸汽壓力為2．5 MPa，入口側與出口側的壓力差達到0．2MPa，這樣，冷段再熱蒸汽可通過這條冷熱段再熱蒸汽連通管流入熱段再熱器出口安全門導汽管內，使再熱器出口安全門導汽管內的蒸汽循環流動。

3 結論

在不影響鍋爐再熱蒸汽系統的正常運行和不改變原來系統布局設計的情況下，通過對HG－670－13．7－YM9型鍋爐#1～#4再熱器出口安全門導汽管的改造，從根本上消除了再熱器出口安全門導汽管頻發漏泄的缺陷。保證了鍋爐的安全穩定運行，提高了鍋爐的經濟型?？梢哉f，此次設備改造是十分成功的。

［1］劉尚慈．火力發電廠金屬斷裂與失效分析［M］．北京:水利電力出版社，1992．