燃機(jī)余熱鍋爐過熱器鰭片管變形原因分析

項(xiàng)建偉

（浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315208）

燃機(jī)余熱鍋爐過熱器鰭片管變形原因分析

項(xiàng)建偉

（浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315208）

介紹了燃機(jī)余熱鍋爐過熱器結(jié)構(gòu)布置，分析過熱器鰭片管變形的可能原因，并對分析結(jié)果進(jìn)行檢查和檢驗(yàn)，得出最終的診斷結(jié)果。

過熱器；鰭片管；變形分析；檢查

某電廠300 MW燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電裝置由2臺100 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺余熱鍋爐及1臺英國GEO ALSTOM的100 MW蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組組成。燃?xì)廨啓C(jī)是美國GE公司的PG9171E機(jī)組，為重載、單軸、快裝式的發(fā)電機(jī)組，使用燃料為天然氣；余熱鍋爐由荷蘭NEM公司設(shè)計(jì)制造，無補(bǔ)燃、立式、強(qiáng)制循環(huán)、單壓（帶有低壓蒸發(fā)器）、露天布置。機(jī)組于1997年投產(chǎn)，并于2012年完成了油改氣改造工程，燃料由原來的重油改為天然氣。

1 過熱器結(jié)構(gòu)布置及主要參數(shù)

余熱鍋爐的受熱面自下而上由高溫過熱器、低溫過熱器、高壓蒸發(fā)器、省煤器和低壓蒸發(fā)器組成。燃?xì)廨啓C(jī)的排煙自下而上流過這些受熱面，然后排入主煙囪。

高溫過熱器、低溫過熱器、高壓蒸發(fā)器、省煤器、低壓蒸發(fā)器都是箱式水平布置，全部受力由大板梁承受，鍋爐能自由向下膨脹。受熱面都是鰭片管，錯列布置。其中高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器為順流布置，其它為逆流布置，所有進(jìn)出口集箱布置在煙道外，但在受熱面箱體內(nèi)，通過人孔門可以進(jìn)入集箱區(qū)域和彎頭區(qū)域。

該電廠雖然進(jìn)行過油改氣改造工程，但余熱鍋爐的部件組成和整體結(jié)構(gòu)形式保持不變，高溫過熱器共布置2排管子，每排有60根鰭片管，管子來回1個循環(huán)，每根管子長約 21 m，2個管板的間距約為2 100 mm，管子間距83 mm。過熱器主要參數(shù)如表1所示。

表1 過熱器主要參數(shù)

2 運(yùn)行工況及變形原因初步分析

2.1 運(yùn)行工況

表2是油改氣前后的機(jī)組運(yùn)行工況對照，余熱鍋爐自投產(chǎn)以來，運(yùn)行比較穩(wěn)定，改造前后都沒有出現(xiàn)過大的設(shè)備故障和異常情況。

表2 油改氣前后運(yùn)行工況對照

2.2 變形原因初步分析

在余熱鍋爐停爐檢修期間，發(fā)現(xiàn)高溫過熱器最底層的一排鰭片管在2塊管板之間的管段發(fā)生變形，檢查發(fā)現(xiàn)越靠近兩側(cè)的管子變形越大。從檢查情況初步分析管子變形的原因是：

（1）鰭片管各段受熱膨脹，由于鰭片管和管板之間有間隙，理論上鰭片管沿軸向能自由膨脹。但實(shí)際運(yùn)行中，鰭片管與管板可能有卡澀現(xiàn)象，導(dǎo)致受熱管無法自由軸向膨脹，從而發(fā)生了塑性彎曲變形。

（2）鰭片管長期處于高溫運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致變形彎曲情況累積加劇。

（3）余熱鍋爐入口煙道內(nèi)煙氣偏流或煙氣走廊可能導(dǎo)致兩側(cè)管束溫度偏高，鰭片管較其它變形相對較大。

2.3 變形導(dǎo)致的問題

過熱器鰭片管發(fā)生塑性彎曲變形后，長時間運(yùn)行可能會導(dǎo)致以下問題：

（1）長期運(yùn)行后內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響管子自由膨脹。

（2）管子壁厚減薄，強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

（3）管子干燒過熱，金相組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

（4）機(jī)組頻繁啟停和管子塑性變形，影響管束使用壽命。

（5）管子膨脹受阻或過大，導(dǎo)致管接頭與集箱連接處產(chǎn)生較大推力，機(jī)組頻繁啟停后在連接處產(chǎn)生疲勞裂紋。

針對上述塑性彎曲變形可能導(dǎo)致的問題，利用機(jī)組檢修，在現(xiàn)場對鰭片管進(jìn)行相關(guān)的檢查和檢測。

3 現(xiàn)場檢查和檢測

3.1 現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢查

檢查過熱器結(jié)構(gòu)，包括鰭片管、管板護(hù)板等；檢查鰭片管膨脹情況并記錄變形鰭片管大致分布情況，對不同位置進(jìn)行采點(diǎn)測量，測量數(shù)據(jù)包括管子變形方向、變形后的形狀、變形量等。進(jìn)入過熱器檢查，情況如下：過熱器鰭片管靠近煙道入口處和中間部位無明顯變形，靠近入口煙道尾部鰭片管變形較大，主要集中在最后一排管板之間，靠煙道兩側(cè)的變形更為明顯，最大變形撓度約 150 mm；與管板接觸的鰭片已傾倒，表明該處膨脹受阻后產(chǎn)生較大推力，導(dǎo)致鰭片產(chǎn)生變形；鰭片管外表面干凈無腐蝕現(xiàn)象，管子彎頭和管子與集箱連接處無變形。

3.2 鰭片管壁厚檢測

采用超聲波測厚儀對管壁厚度進(jìn)行測量，測量部位為鰭片管最大變形處和鰭片管彎管處。將鰭片管上鰭片進(jìn)行剝離打磨后，測量其厚度為3．5～3．8 mm，彎頭光管壁厚為4．0～4．2 mm。由于鰭片剝離打磨后表面可能凹凸不平，測量厚度存在一定誤差。

3.3 鰭片管金相分析和性能強(qiáng)度計(jì)算

對變形最嚴(yán)重的鰭片管切割試樣，進(jìn)行金相分析，分析內(nèi)容包括元素成分、金相組織、表面質(zhì)量、厚度檢測、力學(xué)性能檢測，同時進(jìn)行強(qiáng)度和過熱器壁溫計(jì)算，評估鰭片管性能強(qiáng)度。

3.3.1 元素成分分析

元素成份分析結(jié)果如表3所示，表明管子母材成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 元素成分分析結(jié)果 %

3.3.2 金相組織分析

在鰭片管變形最嚴(yán)重的部位取樣進(jìn)行金相分析，微觀分析可知管子組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，晶粒細(xì)小均勻；內(nèi)壁脫碳深度0．09 mm，外壁脫碳深度0．05 mm；未發(fā)現(xiàn)內(nèi)外壁有異常的腐蝕產(chǎn)物，未發(fā)現(xiàn)管子組織有明顯過熱痕跡，未發(fā)現(xiàn)管壁有明顯減薄。

3.3.3 力學(xué)性能檢測

力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)如表4所示。由于鰭片焊接和剝除會對樣管表面造成一定程度的損傷，故數(shù)據(jù)僅供參考。

表5 壁溫及強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果

表4 力學(xué)性能檢測結(jié)果

3.3.4 管子壁溫及強(qiáng)度校核計(jì)算

對高壓過熱器直管及彎管均進(jìn)行管子壁溫及強(qiáng)度校核計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

3.4 關(guān)鍵部位無損探傷檢測

鰭片管變形主要是由于管板對鰭片管熱膨脹產(chǎn)生約束導(dǎo)致，鰭片管不能完全自由膨脹而在高溫下產(chǎn)生塑性變形，同時會在鰭片管端部連接處產(chǎn)生推力。機(jī)組長時間頻繁啟停會在連接部位應(yīng)力集中處產(chǎn)生交變應(yīng)力，可能會產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致疲勞開裂。所以需對上述部位，特別是焊縫位置進(jìn)行表面無損檢測，檢查是否有表面裂紋產(chǎn)生。

4 分析與檢查結(jié)果

通過上述逐項(xiàng)檢查、檢驗(yàn)和計(jì)算分析，得出有關(guān)變形過熱器鰭片管的結(jié)論如下：

（1）鰭片管外表面干凈無腐蝕，雖有較大變形，但壁厚相對設(shè)計(jì)壁厚無明顯減薄，鰭片管和管板接觸處鰭片有變形，管子本身并未磨損。

（2）管子和集箱連接處及彎管焊縫表面未見裂紋，檢驗(yàn)合格。

（3）鰭片管的元素成分、力學(xué)性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)外壁無異常腐蝕產(chǎn)物，金相組織無變化，管子組織無明顯過熱痕跡，未見管壁有明顯減薄。

（4）對余熱鍋爐進(jìn)行熱力分析，實(shí)際壁厚滿足強(qiáng)度計(jì)算要求。

綜合上述分析，認(rèn)為在余熱鍋爐使用壽命期限內(nèi)，按照現(xiàn)有的運(yùn)行參數(shù)，變形后的鰭片管不會對鍋爐的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語

雖然通過分析后認(rèn)為變形后的鰭片管不會對鍋爐的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，但作為異常部件，在運(yùn)行時需加強(qiáng)控制和監(jiān)測。

（1）控制過熱器溫度，避免出現(xiàn)持續(xù)過熱和干燒現(xiàn)象，避免變形繼續(xù)惡化。

（2）監(jiān)測鰭片管變形情況，如出現(xiàn)變形明顯增大，需停爐進(jìn)行進(jìn)一步分析和檢測。除了運(yùn)行中的控制和監(jiān)測外，建議對過熱器鰭片管每4年進(jìn)行1次檢測，評估材質(zhì)壁厚等參數(shù)，以保證鍋爐安全運(yùn)行。

[1]焦樹建．燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

[2]李強(qiáng)，朱建國．一起高溫過熱器爆管分析[J]．浙江電力，2014，33（8）∶43－45．

（本文編輯：徐 晗）

Cause Analysis on Finned Tube Deformation of Exhaust Heat Boiler Superheater of Combustion Engine

XIANG Jianwei
（Zhejiang Zheneng Zhenhai Electric Power Generation Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315208，China）

The paper introduces structural arrangement of exhaust heat boiler of combustion engine and analyzes possible reasons of finned tube deformation；furthermore，it inspects and checks the analysis results and concludes a final diagnosis result.

superheater；finned tube；deformation analysis；inspection

TK223.3+2

B

1007-1881（2015）04-0046-03

2014-10-16

項(xiàng)建偉（1973），男，工程師，主要從事燃機(jī)技術(shù)管理工作。