調峰火電機組金屬監督關鍵問題

張立新

（國家能源菏澤發電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

國家大力推進能源清潔化改革，太陽能發電、風力發電裝機容量迅速增長，致使電網調峰困難，現役火電機組須提高深度調峰能力以及靈活性［1］。各發電企業深挖機組調峰潛力，努力拓寬大型燃煤機組的調峰范圍，調峰成為大型燃煤機組面臨的長期任務［2］。機組調峰相對基本負荷機組而言意味著更頻繁的負荷變化和啟停，對于金屬監督部件而言，內部或外部介質壓力溫度變動頻繁，高速轉動部件振動加劇，失效過程加速。結合近年來調峰火電機組金屬監督工作實踐及國內外同行的研究成果，對典型金屬監督部件的工作特點、應力分布、失效形式、監督特點予以簡析，依據斷裂與失效理論對失效案例進行了理論分析，總結得出調峰對火電機組安全性影響的四種基本失效形式：1）熱疲勞；2）機械疲勞；3）沖刷減薄、超溫、高溫腐蝕、氧化皮脫落等；4）厚壁承壓部件熱疲勞與機械疲勞疊加。通過分析總結，期待為金屬監督及防磨防爆工作提供參考。

1 調峰對火電機組安全性影響的理論分析

1.1 熱疲勞

調峰機組高溫高壓部件承受的溫度參數變化頻繁，頻繁變化的溫度使金屬材料產生交變熱應力，交變熱應力引起熱疲勞。

在彈性范圍內，熱應力為［3］

式中：K為與約束條件相關的系數；E為彈性模量；a為熱膨脹系數；ΔT為熱循環溫度變化幅度。

由式（1）知，熱應力與鋼彈性模量、熱膨脹系數、熱傳導系數等物理性能有關。材料一定，鋼熱疲勞強度取決于材料顯微組織、塑性、工作條件。工作條件包括熱循環最高溫度、最低溫度和溫度變化幅度ΔT。ΔT決定熱應變，故產生一定深度裂紋的循環次數取決于ΔT。材料的熱疲勞強度隨著ΔT的增加而下降。ΔT不變，平均溫度提高熱疲勞強度也降低。

1.2 機械疲勞

溫度壓力變化也會引起管道膨脹收縮、機械振動等，交變機械應力導致機械疲勞裂紋。據部件失效前載荷交變次數的多少，機械疲勞分為低周疲勞（10 000 次以下）和高周疲勞（10 000 次以上）。裂紋源一般位于零件表面的應力集中處和缺陷處。

應力集中在部件機械疲勞失效中起關鍵作用。引起應力集中的因素通常為［4］：

1）急劇變化的截面：構件中的臺階、管孔、缺口、鍵槽等。

2）集中力作用：閥門中承受閥芯沖擊的閥座、支吊架支撐的管道。

3）材料本身不連續性：大型鑄件中的白點、疏松、夾雜、氣孔、裂紋；焊接接頭材質、組織與母材不同，應力集中于熔合線附近；異種鋼焊接接頭，焊接缺陷。

4）由于強拉伸、冷加工、熱處理、焊接，構件在制造或裝配過程中引起的殘余應力。殘余應力疊加工作應力后，可能出現較大的應力集中。

1.3 沖刷減薄

為了降低發電成本，鍋爐一般采用配煤摻燒，煙氣中飛灰增加，受熱面積灰嚴重，吹灰頻繁，受熱面磨損加劇；貧煤和無煙煤的加入使鍋爐尾部煙氣溫度升高，超溫、部分管段氧化皮脫落的風險增加，減溫水投入頻繁；高硫分煤的加入造成爐膛受熱面高溫腐蝕；為滿足環保要求，鍋爐采用脫硝系統，發生故障的尿素溶液噴槍會沖刷腐蝕受熱面。

1.4 厚壁承壓部件

厚壁部件與中薄壁部件相比，殘余應力狀態改變，厚度方向殘余應力加大，疲勞強度、斷裂韌度等降低，其運行時內外壁存在較大溫差，負荷變化時溫差進一步變大，熱應力、熱應變增加，產生熱疲勞。頻繁的負荷變化使部件內外壁承受交變拉壓應力，交變應力在部件的應力集中處造成機械疲勞。

2 調峰火電機組的金屬監督要點分析

2.1 汽包

汽包是自然循環、強制循環鍋爐的核心部件。汽包工作壓力大、生產過程復雜、結構剛性大、焊縫多，內部存在較大殘余應力。機組啟停及變負荷運行過程中溫度、壓力參數快速變化，加上汽包自重、蓄熱能力和復雜的內部結構以及各種開孔導致熱應力和機械應力更為復雜。

2.1.1 汽包應力概況及主要失效形式

對汽包的應力分析主要針對機械應力和熱應力，這兩種應力變化幅度最顯著。機械應力包括啟停過程中的汽壓升降及水壓試驗引起的應力、正常運行下的蒸汽內壓力；熱應力包括：1）因汽包壁溫差產生的穩定熱應力；2）個別部位由壁溫波動引起的交變熱應力［5］。調峰機組啟停頻繁，工況變動劇烈，汽包在此條件下運行產生交變應力的峰值，超過所使用材料的疲勞極限或者屈服極限，造成疲勞損傷。根據式（1），啟停爐的溫度變化越快，熱應力越大，越容易形成疲勞裂紋。在汽包失效形式中，低周疲勞損傷是汽包的主要失效形式。

2.1.2 汽包低周疲勞損傷的主要監控部位

1）機械應力最大處。美國機械工程師協會（ASME）規范和相關文獻［6-7］認為的最危險工作點，是具有最大的機械應力集中系數的汽包縱向截面與下降管接合處內轉角，該點應是汽包應力的監測點。

2）熱應力最大處。汽包水位線波動處是最大熱應力位置［6，8］。

3）焊縫等應力集中處。汽包縱環焊縫、各種連接管座焊縫、結構件焊縫容易產生應力集中，是需要關注的監督部位。

2.1.3 汽包壽命影響因素

汽包的升溫率、材料、結構都會對汽包壽命產生影響，應在設計階段根據汽包所承擔的負荷類型優選材料和結構，這是汽包壽命最重要的影響因素。升溫率直接影響汽包壽命損耗，已投運的鍋爐為達到最佳的經濟效益應確定最優的升溫率來減小汽包壽命消耗和冷態啟動過程總成本［9］。

2.2 高溫聯箱和管道

2.2.1 環焊縫

厚壁聯箱、管道部分或全部焊口安裝時須在現場施焊、熱處理，對于厚壁聯箱、管道，現場去除焊接殘余應力比較困難。按現有的熱處理規程，在焊接過程中若不采取降低殘余應力的措施，不足以將焊接殘余應力減小到安全的程度，運行過程中或因應力釋放而產生裂紋。裂紋源很可能是焊接缺陷如坡口未熔合、微裂紋等。

環焊縫熔合線附近的粗晶區是焊縫結構的薄弱環節，監督中應著重關注。

2.2.2 管座角焊縫

1）疏水管、儀表管、受熱面管。儀表管、疏水管座角焊縫開裂一種情況是因為管系設計不合理，管子膨脹受阻在管座連接焊縫處產生較大的熱應力［10］，另一種情況是因為管座焊縫處引出管角變形嚴重，殘余應力過大。

受熱面管座在聯箱開孔處形成了應力集中區。因聯箱壁厚較厚，管座與聯箱內壁間的熱應力不可避免。若受熱面管膨脹受約束，膨脹產生的交變應力作用在角焊縫上會引起疲勞開裂［11］。若介質溫度變化頻繁，聯箱管孔及管座也會發生熱疲勞。如圖1和圖2 所示，高溫再熱器入口集箱筒體外表及內壁開裂。

2）安全閥管座角焊縫、吊架焊接吊耳。由于受機組啟停和安全閥試驗等影響，安全閥管座焊縫及其附近容易產生疲勞損壞［12］。如圖3和圖4所示，過熱器向空排汽與再熱器安全閥管座焊縫開裂。

吊架部件失效，使聯箱膨脹受阻，吊耳在聯箱處的角焊縫在交變應力作用下形成裂紋源。

圖1 高溫再熱器入口集箱甲側管孔間筒體裂紋

圖2 高溫再熱器入口集箱甲側管孔間筒體內壁龜裂紋（點劃線區域）

圖3 過熱器向空排汽管座裂紋

圖4 再熱器集汽集箱安全閥管座裂紋

2.2.3 向空排汽管座

若聯箱向空排汽管系設計有水平段且管系過長，不排汽時，蒸汽會在管系內壁凝結，凝結水倒流回聯箱，在排汽管座處產生交變熱應力形成熱疲勞裂紋。如圖5所示，再熱器向空排汽管座內部開裂。

2.3 高溫高壓閥門和汽缸

電廠高溫高壓閥門、汽缸結構復雜，壁厚大且不均勻，大多數是鑄件。鑄件殘余應力的釋放是一個漫長的過程，最長可伴隨服役期。鑄件中存在一些如裂紋、疏松、夾砂、氣孔、夾渣等原始缺陷引起了應力集中，形成了裂紋源。在蒸汽參數波動以及機組啟停過程中，因壁厚原因，汽缸、閥門殼體將產生較大的熱應力，該熱應力與蒸汽應力、殘余應力疊加，促使裂紋擴展失穩。門桿、閥座還承受負荷變動頻繁時閥門頻繁開關產生的交變機械應力。

高溫高壓閥門失效的主要形式有：

1）殼體內壁開裂［13-15］；

2）殼體外壁開裂，如圖6所示；

圖5 再熱器向空排汽管座裂紋

圖6 主汽門殼體外表裂紋

3）門桿開裂［16］；

4）閥座開裂［17］，硬質合金密封面加速老化，產生裂紋和碎裂；

5）閥門焊縫開裂［18］。

汽缸裂紋產生的部位主要是結合面及缸體應力集中處，如螺栓孔間，尖角處。開裂原因涉及設計、制作工藝、運行等因素。如圖7，尚未運行的高壓內上缸缸體開裂。

2.4 噴水減溫器

2.4.1 噴水減溫器損壞的基本形式

減溫器噴嘴既承受高溫蒸汽加熱，又承受低溫減溫水的快冷，材料易產生熱疲勞［19-21］；減溫器噴嘴本身的結構問題易產生的機械疲勞［22-23］。再熱器集箱連接管彎頭開裂［24］、因減溫器套筒定位銷釘脫落而堵塞高溫再熱器管造成爆管［25］、因鍋爐啟動過程中減溫水投用不當致使超（超）臨界機組鍋爐高溫爐管內壁氧化皮剝落堵塞而引起的受熱面過熱爆管［26］等事故頻頻發生。

如圖8 所示，過熱器三級減溫器噴水管座角焊縫外表面開裂3 處（黑色記號筆標記處）、減溫器筒體泄漏。紅色虛線顯示位置為筒體內部龜裂紋。

2.4.2 噴水減溫器損壞的原因

1）減溫器結構不合理。因燃煤摻配、鍋爐適應性等原因，調峰機組噴水減溫器實際使用頻率遠高于設計預期。懸臂式的噴管較兩端固定的噴管，一方面存在熱疲勞損壞，一方面有發生共振的可能，此結構壽命偏低。

圖7 新高壓內上缸缸體外表裂紋

圖8 過熱器三級減溫器裂紋

2）汽溫自動控制邏輯存在問題。鍋爐過熱蒸汽、再熱蒸汽汽溫調節主要靠自動化高、調節靈敏的噴水減溫方式。但根據實際運行情況分析，汽溫自動控制邏輯存在很多問題，不能保證機組安全經濟運行。應進一步梳理汽溫自動控制邏輯，以減小減溫水量、有序投入減溫水、盡量減少出口蒸汽溫差為原則，避免汽溫頻繁劇烈波動。

3）應考慮對鍋爐受熱面進行改造。為了機組安全及適應市場競爭，對于設計煤種變動的鍋爐，應考慮對受熱面、燃燒器等進行靈活性改造，避免負荷上不去、汽溫調節手段失效的情況發生。

2.5 汽輪機轉子

2.5.1 大軸

汽輪機大軸應力集中部位主要是調速級及汽封處、圓角處。大軸開裂的可能原因有：調峰機組頻繁啟停，暖機、冷卻時間不足，轉子熱應力加大；機組超速試驗時轉子離心力加大，使轉子裂紋加劇；轉子失去動平衡引起機組振動大，長期運行造成金屬疲勞，引發轉子裂紋；在轉子加平衡塊過程中，轉子處于靜止狀態，機組需要保持真空，汽封供汽不停，處于靜止狀態的轉子局部受熱，膨脹不均勻，產生較大熱應力［27］。

2.5.2 動葉片

裂紋源一般位于低壓轉子末幾級動葉片出汽側的應力集中處，高壓轉子末級葉片裂紋少見。引起應力集中的因素排除水沖擊，可能是葉型設計原因，葉片加工工藝不良［28］，也可能是蒸汽品質不佳造成葉片汽蝕［29］、安裝緊力不足導致葉片振動［30-31］、葉片裝配時圍帶間隙太小使葉片與圍帶的預應力過大造成疲勞［32］、設計原因等。實際中大多數葉片失效原因是以上多種因素綜合作用。圖9 為330 MW 汽輪機低壓反向次次末級動葉片開裂。

圖9 低壓轉子反向次次末級葉片開裂

2.5.3 動葉鉚接圍帶

按結構分，圍帶主要有裝配圍帶和自帶冠圍帶兩種，本節僅討論動葉鉚接圍帶。

汽機沖轉、汽溫變化造成動靜摩擦、油膜失穩等因素都會引起轉子振動傳導到圍帶上；同級葉片膨脹不均引起圍帶拉壓應力；裝配時鉚釘孔不規則、存在應力集中及緊力過大等會導致圍帶在運行中釋放應力出現裂紋［33-34］。長期運行后圍帶同鉚釘頭之間產生間隙，圍帶同葉頂肩部產生間隙，在工況突變的情況下導致圍帶脫落［35］。圖10 為330 MW 汽輪機低壓反向次次末級動葉圍帶開裂。

圖10 低壓轉子反向次次末級動葉圍帶開裂

2.6 受熱面

調峰機組鍋爐除了啟停頻繁、負荷波動大容易引起應力集中處疲勞損壞外，還存在燃料摻燒后受熱面超溫和高溫腐蝕的風險。

2.6.1 帶鰭片的受熱面

如隔墻省煤器、膜式水冷壁、包覆（墻）過熱器等，在出入口聯箱處垂直的管子因鰭片約束膨脹不暢，近聯箱側管子端部與鰭片間的焊縫存在應力集中，在交變膨脹應力作用下造成疲勞損壞；鍋爐風道與水冷壁的焊接處、冷灰斗四角位置的水冷壁、包墻管的人孔門與各類開孔部位、爐頂穿墻無套管保護的蒸汽管，也存在膨脹撕裂的可能。

2.6.2 蒸汽吹灰、脫硝噴槍影響區域

吹灰頻繁、吹灰器故障無法退出運行會造成受熱面過度吹損；脫硝噴槍故障后液體泄漏會造成影響區域的省煤器、水冷壁及包墻過熱器、再熱器沖刷腐蝕，圖11 為被尿素腐蝕減薄后泄漏的高溫再熱器彎管。

圖11 被尿素腐蝕減薄后泄漏的高溫再熱器彎管

2.6.3 高溫腐蝕處

高硫分燃料易引起水冷壁、屏式過熱器、高溫過熱器和高溫再熱器等部位的高溫腐蝕。腐蝕后的受熱面壁厚減薄、應力增大，產生蠕變后管壁進一步變薄，最終爆管。

2.6.4 氧化皮脫落

超（超）臨界機組鍋爐在運行中存在氧化皮脫落堆積現象。氧化皮脫落會造成所在管段熱循環變差或中斷，造成超溫。原因是設計時對此類材料抗氧化許用溫度選用裕度不足、制造工藝不當、運行時超溫及汽水品質不良等［36］。

2.6.5 超溫管段

燃料摻燒、深度調峰后受熱面超溫概率提高。特別是低熔點燃料的飛灰在受熱面結焦后也會造成受熱面超溫。受熱面長時超溫與短時超溫都會引發爆管事故，應加強對受熱面溫度的監控、記錄，必要時改造受熱面。

2.6.6 相互接觸和摩擦部位

屏式過熱器管卡（梳形板、固定管排的管子）處、爐頂穿墻管、受熱面與懸吊管接觸處等，在負荷變動時會有相對摩擦碰撞，防磨防爆檢查時應著重關注。

2.6.7 壁式再熱器

壁式再熱器設計不良，沒有充分考慮管排膨脹受阻的情況，膨脹受阻后在固定鋼板及壁再管排間固定焊縫等應力集中產生較大的膨脹應力，進而撕裂壁再管。

2.7 吸（引增合一）風機

引風機振動超標是運行中常見的故障現象，振動超標會引起電機電流過大、軸彎曲、軸承損壞、機殼和風道系統被破壞等嚴重問題。風機設計制造不良、基礎不牢下沉、安裝問題、葉片積灰、葉片磨損、軸承損壞、電機故障、引風道系統振動等都會造成風機振動超標［37］。導葉片根部、軸承下支撐焊縫等應力集中部位經常因風機振動過大而開裂。圖12 中白色反差劑所示為引增合一風機轉子組支撐軸瓦及支撐板焊縫開裂區域。

圖12 吸風機轉子組支撐端瓦及支撐板焊縫開裂

2.8 高溫緊固件

調峰機組高溫緊固件受到頻繁的交變應力作用。除工作應力外，檢修時的不當拆卸如大錘沖擊、乙炔火焰烘烤、超溫的電加熱都會對螺栓造成不可逆的損壞：大錘沖擊會造成螺栓外部受損，形成應力集中；失控的加熱會造成螺栓組織性能變差。這些損傷在機組調峰時形成安全隱患。高溫緊固件常見失效位置有：螺栓栽絲端第2～3 圈、螺栓腰部、螺栓加熱孔內部、經火焰烘烤的螺母。

3 結語

調峰機組啟動頻繁、負荷波動大，金屬監督部件更易發生熱疲勞、機械疲勞、吹損、腐蝕、過熱等損傷，失效加速。

在機組運行中應保持參數平穩，按溫升曲線控制增減負荷的速度，嚴格控制重要監督部件的溫差；盡可能減少鍋爐的滅火次數及變負荷調峰和啟停調峰次數；金屬監督和受熱面防磨防爆工作中做到有針對性，建立監督部件數據庫，列出重點檢查部位計劃，縮短檢查周期，做到檢查部位全覆蓋；建設金屬監督大數據，形成系統內乃至全國統一的數據云平臺，達到信息共享、互通有無的目的。