俄制800 MW超臨界鍋爐頂棚水冷壁管泄漏原因分析

國成江，李長寬，冷 杰，張力杰，蒙 毅

(1.國華神華綏中發(fā)電有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125222；2.中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司遼寧北方分公司，遼寧 沈陽 110003;3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；4．西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

國華神華綏中發(fā)電有限公司(簡稱綏電公司)一期1號和2號機組為800MW超臨界機組，于2000年投產(chǎn)發(fā)電。自投產(chǎn)以來，鍋爐出現(xiàn)頂棚水冷壁泄漏問題，開始發(fā)生泄漏后采取更換泄漏管段和加強局部檢查的治理措施，泄漏狀況得到一定程度的控制，但自2008年發(fā)現(xiàn)頂棚水冷壁下沉以來，泄漏次數(shù)有所增加，至2015年達到泄漏高峰，嚴重影響機組正常運行。為了減輕或徹底解決鍋爐頂棚水冷壁泄漏問題，對頂棚水冷壁泄漏進行了深入分析。

1 設(shè)備概況

綏電公司一期1號和2號機組為塔干羅格鍋爐廠生產(chǎn)的ПП-2650-25-545KT超臨界壓力具有一次中間再熱直流鍋爐，配備K-800-240-5型汽輪機和TBB-800-2Ey3型發(fā)電機。П-2650-25-545KT型鍋爐為單爐膛，受熱面T型對稱布置，全懸吊結(jié)構(gòu)，鍋爐爐膛截面為30.986 m×15.472 m的矩形結(jié)構(gòu)，爐膛和對流豎井水冷壁吊架為主吊架。鍋爐原設(shè)計燃用大同煙煤，采用左、右墻對沖燃燒方式，制粉系統(tǒng)為正壓直吹式。

1號和2號機組鍋爐頂棚整體尺寸30.986 m×48.130 6 m，鍋爐頂棚由32 mm×6 mm×46 mm的水冷壁管焊接組成，材質(zhì)為12Cr1MoV。其中左、右側(cè)頂棚水冷壁各672根，在頂棚水冷壁上布置有腮管、一級屏式過熱器、二、三級屏式過熱器、費斯頓管Ⅰ、高溫過熱器、費斯頓管Ⅱ、高溫再熱器、費斯頓管Ⅲ的開孔，用以布置上述受熱面，頂棚水冷壁開孔由直管和彎管組成。

自投產(chǎn)以來，1號和2號鍋爐頂棚水冷壁經(jīng)常發(fā)生泄漏[1]，尤其是腮管穿墻處、費斯頓管Ⅲ穿墻處彎管與直管間鰭片撕裂，導致泄漏頻繁發(fā)生。

2 頂棚水冷壁泄漏情況及原因

2.1 頂棚水冷壁泄漏情況

自投產(chǎn)以來，針對鍋爐出現(xiàn)頂棚水冷壁泄漏問題，開始主要采取加強局部檢查和更換泄漏管段的治理措施，泄漏狀況得到一定程度的控制，但自2008年發(fā)現(xiàn)頂棚水冷壁下沉最深處約600 mm以來，泄漏次數(shù)有所增加，2015年達到高峰，2015年10月和12月,2臺機組停運期間對鍋爐設(shè)備進行檢查時發(fā)現(xiàn)頂棚水冷壁腮管穿墻處、費斯頓管Ⅲ處的鰭片裂紋共195條。2014年以來2臺機組鍋爐頂棚水冷壁已經(jīng)發(fā)生20次泄漏，造成多次非停，已成為影響機組安全運行的重大隱患。圖1和圖2為某次頂棚水冷壁漏點。

圖1 頂棚水冷壁漏點1

圖2 頂棚水冷壁漏點2

2.2 頂棚水冷壁泄漏原因

2.2.1 試樣金屬化驗分析

對費斯頓管Ⅲ處頂棚水冷壁管進行取樣和分析。試驗分析項目主要包括外觀、斷口宏觀形貌、化學成分、常溫抗拉強度、布氏硬度、掃描電鏡及金相組織檢驗。

a.宏觀形貌分析

發(fā)生泄漏的費斯頓管Ⅲ處頂棚水冷壁管見圖3—圖6，管壁存在一條裂紋及多處漏點，裂紋位于鰭片端部的母材上，環(huán)向約1/3周開裂，漏點附近均可見明顯的被沖刷減薄痕跡。

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泄漏過程可還原為：鰭片端部管壁首先發(fā)生開裂，之后管內(nèi)介質(zhì)對周圍管壁產(chǎn)生沖刷，當壁厚減薄至無法承受管內(nèi)壓力時發(fā)生泄漏，形成多個漏點。將裂紋打開觀察其內(nèi)部形貌，斷口為典型的疲勞斷口，整個斷口已被氧化成黑色，裂紋源位于與鰭片端部相連的管壁外表面處，并向內(nèi)壁擴展，形成明顯的貝殼狀疲勞弧線。

b.化學成分分析

圖3 頂棚管裂紋原始狀態(tài)

圖4 裂紋及漏點形貌

圖5 裂紋內(nèi)壁形貌

圖6 發(fā)生開裂處斷口形貌

在頂棚水冷壁管上取樣進行化學成分分析，化學成分分析結(jié)果見表1，表中給出GB/T5310—2008中12Cr1MoV鋼的標準值以作對比[2]。比較可見，頂棚管各化學成分均符合12Cr1MoV鋼要求。

表 1 化學成分分析結(jié)果 %

c.金相檢驗

在裂紋源附近取樣進行金相檢驗，金相組織見圖7，金相檢驗表明：裂紋源位于管壁母材上，金相組織正常，為鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域已經(jīng)開始分散，但仍保持原有區(qū)域形態(tài)，球化2.5級。

圖7 裂紋源處金相組織

d.掃描電鏡檢驗

對開裂處斷口橫截面進行掃描電鏡檢驗，裂紋源處斷口形貌特征為剪切長韌窩形狀(見圖8)，裂紋擴展區(qū)斷口形貌特征為等軸韌窩形狀(見圖9、圖10)。等軸韌窩形成過程是在平面應力條件下，由最大拉伸應力產(chǎn)生的韌窩。剪切長韌窩形狀是在剪切條件下，在剪切唇或扭轉(zhuǎn)斷口上，韌窩具有拉長的拋物線形狀，并在兩個相對斷口上韌窩的指向相反。

圖8 裂紋源處

圖9 裂紋擴展區(qū)

圖10 裂紋擴展區(qū)低倍形貌

2.2.2 導致應力增大的設(shè)備結(jié)構(gòu)因素

a.頂棚水冷壁管彎管結(jié)構(gòu)設(shè)計不完善。綏電公司頂棚開孔處的彎管和讓管較大部分采用鰭片管，彎管向爐內(nèi)布置，未在穿墻管彎管與直管間鰭片上開止裂槽和裂紋導向槽。鰭片制作的彎管和讓管與光管制作的彎管和讓管相比，抗彎強度大，但應力和吸熱量大、柔韌性差。采用鰭片制作向爐內(nèi)彎曲的彎管與直管相比，吸熱量較大，膨脹量相應較大，因此在彎管和直管間應力較大，若未在穿墻管彎管與直管間鰭片上開止裂槽和裂紋導向槽，極易在鰭片根部靠近直管處產(chǎn)生應力集中，造成鰭片撕裂。同為俄制機組的國華盤電公司頂棚水冷壁開孔處彎管全部采用光管制作，且大型彎管向爐內(nèi)布置、小型彎管向爐外布置，頂棚水冷壁泄漏次數(shù)相對較少。

b.頂棚水冷壁吊掛安裝不規(guī)范、設(shè)計不完善。頂棚水冷壁大部分吊桿的吊耳在安裝時為了方便，存在將吊耳焊接加長、銷軸混用的現(xiàn)象(見圖11)，在鍋爐運行時加長的耳板、卡件存在開焊、脫落缺陷。此外，吊桿安裝時未充分考慮鍋爐頂棚水冷壁的縱向膨脹，吊桿經(jīng)常發(fā)生開裂。吊架失效，頂棚水冷壁剛度降低導致下沉，加劇了彎管和直管間鰭片處的局部應力集中。

圖11 頂棚吊桿及耳板安裝

2.2.3 導致交變應力的運行影響因素

頂棚水冷壁穿屏管處彎管與直管間鰭片處產(chǎn)生交變應力，導致彎管、讓管與直管間鰭片撕裂。導致較大的交變應力產(chǎn)生的主要運行影響因素如下。

a.鍋爐按帶基本負荷設(shè)計，投產(chǎn)2015年來啟停頻繁。

b.鍋爐曾在出現(xiàn)故障后為盡快開展檢修工作頻繁強制通風冷卻，也對頂棚水冷壁產(chǎn)生顯著影響。

c.低氮改造后爐內(nèi)燃燒工況波動增大。

2.2.4 其余影響因素

a.機組投產(chǎn)10多年來，頂部密封性能逐步劣化，導致爐頂積灰逐步加重，加劇頂棚下沉幅度。

b.鍋爐燃燒器改造后[3-4]，火焰中心上移使頂棚下部溫度場發(fā)生變化，頂棚水冷壁出口工質(zhì)溫度較改前升高10℃左右，增大了頂棚水冷壁的熱應力。

c.頂棚水冷壁基建安裝焊口和管屏拼接縫工藝采用單面焊接造成管系強度下降。

3 結(jié)束語

機組鍋爐頂棚水冷壁泄漏的主要原因是頂棚水冷壁管彎管結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理和吊掛安裝不規(guī)范以及爐頂密封漏灰造成頂棚下沉。此外，鍋爐燃燒器改造后，火焰中心上移使頂棚下部溫度場發(fā)生變化，增大了頂棚水冷壁的熱應力，頂棚水冷壁基建安裝焊口和管屏拼接縫工藝采用單面焊接造成管系強度下降。建議保留原有頂棚水冷壁規(guī)格和節(jié)距不變，更換頂棚水冷壁管，重新設(shè)計頂棚吊掛系統(tǒng)和爐頂密封系統(tǒng)，鍋爐頂棚懸吊設(shè)計充分考慮橫縱向膨脹，以徹底解決頂棚水冷壁管泄漏缺陷，消除頂棚水冷壁泄漏，提高機組鍋爐運行可靠性。