600 MW機組屏式過熱器TP304H不銹鋼彎頭側弧裂紋分析

史澤東，廖運波

(四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安　638000)

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600 MW機組屏式過熱器TP304H不銹鋼彎頭側弧裂紋分析

史澤東，廖運波

(四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安638000)

摘要：結合某電廠600 MW機組屏式過熱器夾持管彎頭裂紋事件，介紹了304H不銹鋼彎頭側弧裂紋分析方法，分析了事件發生原因，并提出了預防措施。

關鍵詞：600 MW機組；屏式過熱器；夾持管；不銹鋼彎頭；彎頭側弧裂紋

1系統概況

某電廠2臺600 MW機組鍋爐均為東方鍋爐廠制造的DG2028/17.45-Ⅱ5型亞臨界參數、自然循環、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、尾部雙煙道、全鋼構架的Π型爐。

鍋爐過熱器系統由頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器和高溫過熱器組成。過熱器系統設置有兩級噴水減溫器用于調節過熱蒸汽溫度，一級減溫器布置在低溫過熱器出口集箱至屏式過熱器進口集箱的連接管上，共2個；二級減溫器布置在屏式過熱器出口集箱至高溫過熱器進口集箱的連接管上，共2個。屏式過熱器分布于爐膛正上方，爐墻A側墻向B側墻方向共12大屏，每大屏爐前向爐后方向為4小屏，每小屏32根管(進、出口各16根)。每小屏中間的管子下部設置成夾持管，起防止管屏管子變形出列的作用，夾持管彎頭如圖1所示，管子規格為?44.5 mm×7 mm。

鍋爐制粉系統為中速磨正壓直吹式系統，磨煤機為ZGM113K型中速輥式磨煤機，共6臺，其中1臺備用。鍋爐共配有30個由三井·巴布科克公司設計、東方鍋爐廠制造的LNASB低NOx軸向旋流式煤粉燃燒器，分3層對稱布置在鍋爐前、后墻水冷壁上，前、后墻每層各均布5個，頂層燃燒器上部布置有燃盡風。

2事件發生前機組運行情況

該廠2臺600 MW機組分別于2006，2007年投產，至2015年10月運行小時數均為5.1萬左右，期間#1機組啟(停)37次，#2機組啟(停)32次。

2臺機組投產后,鍋爐存在燃燒穩定性較差、屏式過熱器溫度超過設計值(屏式過熱器出口設計溫度480 ℃)的情況，局部管壁溫度長期超過500 ℃。為了確保屏式過熱器管壁不超溫，一級減溫水均明顯超過設計值(設計值為40 t/h)，根據2014年減溫水量統計，在滿負荷情況下一級減溫水平均用量分別為#1機組139 t/h，#2機組109 t/h。由于燃燒不穩定及減溫水調節，使得屏式過熱器壁溫存在較大范圍的波動(如圖2所示)。

圖2　屏式過熱器壁溫( #1機組CT042)

3事件經過

2015-04-07 T 02：47:00，#1機組負荷428 MW，主蒸汽壓力12.9 MPa，再熱蒸汽壓力2.4 MPa，主蒸汽溫度541 ℃，再熱蒸汽溫度542 ℃，給水流量1 207 t/h，蒸汽流量1 206 t/h，A，B，C，D，F制粉系統運行，引風機A，B電流分別為231，227 A，鍋爐補水量為53 t/h，較平時增大約14 t/h，其他參數無異常。4月11日停機后檢查發現，屏式過熱器B4大屏爐后第1小屏夾持管彎頭側弧裂紋(如圖3所示)。管子規格為?44.5 mm×7 mm，材質為SA-213MTP304H。

圖3　彎頭開裂情況

裂紋為管內壁向管外發展，裂紋擴展至宏觀泄漏之前具有很強的隱蔽性，為了弄清其產生的原因，在更換泄漏夾持管彎頭的同時將裂紋管段送檢分析。2015年4月13日該處泄漏管段恢復完成，2015年5月5日機組按調令正常開機。

2015年9月、10月，該廠在2臺機組小修期間分別對所有屏式過熱器夾持管彎頭(2臺鍋爐共96根)進行檢驗，發現#1鍋爐有1處類似裂紋、#2鍋爐有2處類似裂紋，并于機組小修期間對發現存在裂紋的夾持管彎頭進行了更換。

4原因分析

4.1宏觀方面

整體上觀察，彎頭氧化程度較輕，開裂的位置位于彎頭兩側中性面，附近裂紋整體走向沿管子軸向方向，其中一側在厚度方向已裂穿，另一側未裂穿(如圖3所示)。對彎頭進行測量，同一斷面最大外徑為45 mm，最小外徑為41 mm，橢圓率為8.99%，滿足DL 612—1996《電力工業鍋爐壓力容器監察規程》[1]要求。

4.2滲透檢測

彎頭經剖開后進行滲透檢測，發現除在未裂穿一側存在眾多的平行軸向裂紋外，在外弧面內壁邊緣存在許多徑向裂紋，如圖4所示。

圖4　徑向裂紋

4.3硬度檢測

測試位置包括試樣外弧面、中性面及橫截面，檢測結果見表1。

檢測結果表明，試樣的硬度滿足SA-213的相關要求，但根據DL/T 438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》[2]中對TP304H的相關要求，可知試樣硬度值在合格范圍內靠近下限。

表1　硬度測試結果

4.4金相檢測

對彎頭中性面(裂穿一側)及橫截面分別進行金相組織檢測，檢測結果顯示：彎頭中性面及橫截面金相組織均為為奧氏體，未發現碳化物大量析出，不存在晶間腐蝕現象，試樣金相組織未見異常。

4.5掃描電鏡分析

對開裂斷口由內壁向外壁進行掃描電鏡觀察，結果顯示疲勞輝紋起源于管子內壁，由內表面向內部擴展；同時還觀察到與裂紋方向一致的河流花樣及解理臺階，說明材料的開裂為脆性斷裂。在高倍電鏡下(×1 000)，發現大量疲勞裂紋。

4.6分析結果

根據機組長期運行存在的屏式過熱器壁溫超過設計值及壁溫大幅度波動問題，以及對裂紋彎頭的分析檢測，得出如下結論：在熱應力的長期周期交互作用下，因管子內外壁之間存在溫度差，產生由內壁向外的疲勞微裂紋，微裂紋的擴展將引起熱疲勞宏觀裂紋的出現，最終發生疲勞斷裂。

5預防措施

(1)結合機組檢修對該類夾持管彎頭進行割管檢驗，尤其是運行時間長、機組啟停頻繁、存在燃燒不穩定致使管壁溫度超溫及波動頻繁問題的機組，更應該加大抽檢比例[3]。

(2)對燃燒系統存在的問題進行研究處理，解決燃燒不穩定的問題，避免因超溫及減溫水過調導致的管壁溫度大幅度頻繁波動。

(3)該類夾持管底部彎頭彎曲半徑過小，應力集中，因此建議對該類夾持管進行改造，增大其彎曲半徑以減少應力集中的問題。

參考文獻：

[1]電力工業鍋爐壓力容器監察規程:DL 612—1996[S].

[2]火力發電廠金屬技術監督規程:DL/T 438—2009[S].

[3]王宗仁.東鍋300 MW循環流化床鍋爐設計優化[J].華電技術，2015，37(10):27-29.

(本文責編：白銀雷)

收稿日期：2015-12-21；修回日期：2016-01-15

中圖分類號：TK 223.3

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)03-0032-02

作者簡介：

史澤東(1985—)，男，四川三臺人，助理工程師，從事發電廠鍋爐檢修技術管理方面的工作(E-mail:659065282@qq.com)。

廖運波(1985—)，男，重慶人，助理工程師，從事發電廠鍋爐檢修技術管理方面的工作。