國(guó)內(nèi)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組金屬監(jiān)督應(yīng)用及研究

石巖，王甲安，朱海寶

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組因建設(shè)周期短、熱效率高、啟動(dòng)快速、排放污染小等特點(diǎn)，在我國(guó)得到迅速發(fā)展。同時(shí)，國(guó)內(nèi)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組多為調(diào)峰運(yùn)行，啟停頻繁、負(fù)荷變化快的運(yùn)行模式大大降低了機(jī)組的安全可靠性，造成設(shè)備隱患、異常事件增多，甚至發(fā)生一些影響較大、較為嚴(yán)重的事故。目前，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組金屬監(jiān)督尚未系統(tǒng)性深入開展，參考燃煤機(jī)組執(zhí)行但沒有專屬標(biāo)準(zhǔn)引用，而金屬部件的失效形式及監(jiān)督重點(diǎn)與燃煤機(jī)組又有顯著差異，本文結(jié)合近年來(lái)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組金屬監(jiān)督應(yīng)用情況進(jìn)行研究，為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展提供參考。

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組選材特性

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組金屬監(jiān)督重點(diǎn)在燃機(jī)本體，相關(guān)設(shè)備主要由GE、西門子、三菱等國(guó)外公司制造或提供核心部件，材質(zhì)及工藝情況國(guó)內(nèi)并未能詳細(xì)掌握。以GE公司9FA燃?xì)廨啓C(jī)為例，為使材料的耐高溫和高強(qiáng)度特性更符合機(jī)組高參數(shù)大功率要求，熱端部件采用稱為超級(jí)合金的鎳鈷基奧氏體合金鋼DS GTD-111，并在熱負(fù)荷較高部位采用高溫抗氧化涂層(MCrAlY)、熱障涂層(TBC)和抗腐蝕涂層(Al-Cr,Al-Si)等。其強(qiáng)化手段、金相組織、高溫性能、使用中的損壞失效方式、使用涂層情況、無(wú)損檢測(cè)方法都不同于汽輪機(jī)所用的普通耐熱鋼。

余熱鍋爐及蒸汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與燃煤機(jī)組鍋爐及蒸汽輪機(jī)有顯著的不同，因運(yùn)行環(huán)境、工況、條件等工作不同，金屬部件的選材及運(yùn)行損壞失效方式有其獨(dú)特性。9F機(jī)組選用的部分高溫端鋼材與超臨界機(jī)組所用高合金鋼相同，其他如汽缸、軸、轉(zhuǎn)子、葉片、發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)、汽包等部件的選材都會(huì)有所提高。

2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組金屬部件典型失效問(wèn)題

2.1 壓氣機(jī)葉片斷裂

章褆等對(duì)國(guó)外、國(guó)內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組壓氣機(jī)葉片斷裂情況進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析表明，國(guó)外機(jī)組壓氣機(jī)葉片晃動(dòng)、葉根槽磨損、葉臺(tái)凸起問(wèn)題大多發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行16000小時(shí)以后，而國(guó)內(nèi)出現(xiàn)相同問(wèn)題的機(jī)組運(yùn)行時(shí)數(shù)最短的僅為4900小時(shí)。文獻(xiàn)[4-6]分別介紹了十余起國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂事件。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂故障占比達(dá)60%，且多為高周疲勞開（斷）裂，主要原因是由于葉片某階固有頻率未能有效避開 kn、zn共振，導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片發(fā)生疲勞開（斷）裂，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行，給電廠帶來(lái)巨大損失。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，除了一些影響較大和較為嚴(yán)重的事故和設(shè)備隱患之外，國(guó)內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的日常異常事件也明顯增多，這些事故和隱患經(jīng)事后分析發(fā)現(xiàn)都和頻繁調(diào)峰或日起停有關(guān)。圖1、2分別為某S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組壓氣機(jī)S1斷口形貌及損壞程度，斷口形貌呈現(xiàn)明顯的高周疲勞開（斷）裂。分析認(rèn)為：由于壓氣機(jī)靜葉片較低的共振裕度，在機(jī)組升速時(shí)，軸系的1、2、3階臨界轉(zhuǎn)速附近振動(dòng)逐漸變大，與某階固有頻率發(fā)生共振，發(fā)生金屬疲勞斷裂。國(guó)內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組多參與調(diào)峰，長(zhǎng)期頻繁日啟停運(yùn)行，機(jī)組每啟停一次，壓氣機(jī)在轉(zhuǎn)速變化時(shí)都有可能發(fā)生共振，壓氣機(jī)葉片在多次的共振下發(fā)生金屬疲勞、動(dòng)靜摩擦，葉片斷裂的可能性增大，最終誘發(fā)了葉片的斷裂。

圖1 壓氣機(jī)靜葉片斷面分析

圖2 壓氣機(jī)靜葉片損壞程度

2.2 主汽聯(lián)合閥閥體疲勞裂紋

某S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，系GE公司生產(chǎn)的D10標(biāo)準(zhǔn)型蒸汽輪機(jī)，單軸、三壓、再熱、兩缸、沖動(dòng)凝汽式聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)。截至2018年11月檢修時(shí)，機(jī)組累計(jì)運(yùn)行42528小時(shí)，啟停1561次。內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)高壓主汽聯(lián)合閥閥體存在裂紋，該閥體材質(zhì)為GE牌號(hào)B50A224B，相當(dāng)于ASTM A356 Gr9級(jí)，成分為1?Cr1Mo?V，即ZG15Cr1Mo1V。對(duì)高壓主汽聯(lián)合閥閥殼底部結(jié)合面著色滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)多處裂紋，如圖3所示。對(duì)裂紋周邊氧化皮進(jìn)行打磨后再次著色滲透檢測(cè)，清晰發(fā)現(xiàn)裂紋圍繞閥殼一周，長(zhǎng)度達(dá)到閥殼內(nèi)周長(zhǎng)的4/5左右，進(jìn)一步檢查，裂紋起點(diǎn)位于疏水孔，如圖4所示。后續(xù)利用內(nèi)窺鏡對(duì)疏水孔內(nèi)部的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂紋沿疏水孔口往里延伸4mm長(zhǎng)度。

分析認(rèn)為：疏水從閥座的疏水口倒流入閥門，沉積在閥門疏水孔側(cè)。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，蒸汽流經(jīng)閥座，閥座受熱膨脹，由于閥座疏水孔側(cè)存有積水，相對(duì)密封面?zhèn)龋y座疏水孔側(cè)溫升明顯較慢、膨脹小，導(dǎo)致密封面?zhèn)仁艿礁郊永瓚?yīng)力；機(jī)組停機(jī)時(shí)，情況相反，密封面?zhèn)扰蛎浭湛s較快，疏水孔側(cè)收縮較慢，密封面?zhèn)仁艿礁郊拥膲簯?yīng)力，這種交替的應(yīng)力變化最終導(dǎo)致密封面發(fā)生開裂。如果閥座的疏水管道布置不合理或疏水排放不及時(shí)，機(jī)組啟停過(guò)程中閥座的合金嵌體易于受到交變應(yīng)力的作用，最終導(dǎo)致發(fā)生開裂。

圖3 閥殼底部結(jié)合面裂紋

圖4 疏水口位置缺陷裂紋

2.3 四大管道及集箱裂紋

某9F燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，機(jī)組2013年投產(chǎn)，采用單軸聯(lián)合循環(huán)型式，由PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)、D10型三壓再熱系統(tǒng)的雙缸雙流式汽輪機(jī)、390H型氫冷發(fā)電機(jī)、和三壓再熱但帶冷凝器除氧的自然循環(huán)余熱鍋爐組成。2019年4月檢修期間，對(duì)8號(hào)機(jī)組高壓旁路閥出口減溫器管道（材料10CrMo910；規(guī)格φ660.4×14.27mm）對(duì)接環(huán)焊縫進(jìn)行金屬監(jiān)督檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)管道焊縫融合線處存在一條長(zhǎng)約150mm裂紋缺陷，深度約10mm，典型缺陷見圖5。

據(jù)調(diào)查資料顯示該機(jī)組累計(jì)運(yùn)行約10500小時(shí)，機(jī)組累計(jì)啟停675次，頻繁參與調(diào)峰變負(fù)荷運(yùn)行，另此處減溫器常噴水用于調(diào)節(jié)高壓蒸汽參數(shù)，溫度的頻繁劇烈變化，給機(jī)組服役材料帶來(lái)極大考驗(yàn)，導(dǎo)致管道在此處多次發(fā)生高參數(shù)蒸汽泄漏，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大危害。

圖6是某西門子公司V94.2（SGT5-2000E）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)高壓供熱減溫減壓器管道出現(xiàn)蒸汽泄漏現(xiàn)象，管道材質(zhì)12Cr1MoVG，規(guī)格φ273×14mm。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)管道母材存在周向開裂貫穿裂紋，裂紋位于減溫水噴嘴頭汽水流向后端150mm。可見，針對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組頻繁啟停參與調(diào)峰運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)高參數(shù)管道復(fù)雜受力部件，如彎頭焊縫、三通、減溫器、管座角焊縫等重點(diǎn)位置要縮短金屬檢驗(yàn)周期，進(jìn)行高溫、高壓蒸汽管道專項(xiàng)檢查。

3 重要金屬部件監(jiān)督檢驗(yàn)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

金屬監(jiān)督是通過(guò)各種檢測(cè)方法對(duì)受監(jiān)在役金屬部件進(jìn)行檢測(cè)和診斷，掌握金屬部件性能變化及失效規(guī)律，對(duì)金屬部件及設(shè)備進(jìn)行壽命分析及評(píng)估，為機(jī)組運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)依據(jù)。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的金屬監(jiān)督范圍涵蓋燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、余熱鍋爐、壓力容器及公共系統(tǒng)的高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速部件以及相關(guān)的金屬部件。

圖5 高壓旁路減溫器焊縫熔合線裂紋

圖6 供熱減溫減壓器管道母材周向開裂

監(jiān)督對(duì)象包括：壓氣機(jī)動(dòng)靜葉片、燃燒室噴嘴、聯(lián)焰管、透平及其缸體、導(dǎo)流套、入口可調(diào)導(dǎo)葉、合金鋼螺栓；承壓管道及閥門、汽包、受熱面管、聯(lián)箱、疏水管路；發(fā)電機(jī)大軸和護(hù)環(huán)、發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片、軸瓦、隔板、汽缸、油管路；燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)大軸、葉片、拉筋、軸瓦；加熱器、除氧器、連續(xù)排污擴(kuò)容器和儲(chǔ)氣罐等壓力容器以及鋼架結(jié)構(gòu)等。

余熱鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓力容器部件及附屬設(shè)備的性能、材料質(zhì)量、焊接質(zhì)量等的監(jiān)督，可按照廠商提供的最小揭缸檢修周期，參照DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求開展相關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)及監(jiān)督工作。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)、燃燒室、透平及其缸體等重要受監(jiān)部件應(yīng)按照廠商提供的最小揭缸檢修周期進(jìn)行檢查，要求無(wú)裂紋、重皮、焊瘤、鑄砂等缺陷，且每年應(yīng)至少進(jìn)行1次孔窺檢查。具體監(jiān)督檢驗(yàn)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)見表1。進(jìn)氣安全隔離網(wǎng)鋼絲、負(fù)荷齒輪箱和輔助齒輪箱的輪齒等其他部件每次檢修時(shí)應(yīng)進(jìn)行宏觀檢查和表面檢測(cè)，檢查磨損情況及是否有變形、斷裂。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組頻繁啟停的運(yùn)行模式加速了受監(jiān)金屬部件疲勞、裂紋、組織劣化等缺陷產(chǎn)生，結(jié)合多起壓氣機(jī)葉片疲勞斷裂、主汽聯(lián)合閥閥體疲勞裂紋、管道及壓力容器焊縫疲勞開裂等失效案例的分析，總結(jié)了燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組重要受監(jiān)金屬部件的監(jiān)督、檢驗(yàn)和診斷內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)。建議后續(xù)結(jié)合國(guó)內(nèi)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組金屬監(jiān)督的應(yīng)用，逐步掌握金屬部件性能變化及失效規(guī)律，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，超前預(yù)測(cè)受監(jiān)金屬部件的缺陷和隱患，避免重大設(shè)備異常事件造成的社會(huì)財(cái)產(chǎn)損失。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)、燃燒室、透平及其缸體等重要受監(jiān)部件的監(jiān)督檢驗(yàn)