火電廠屏式再熱器彎管泄漏分析

孫 越

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長春 130012)

隨著火力發(fā)電技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，機(jī)組參數(shù)的不斷提升，受熱面管作為電站鍋爐中熱能轉(zhuǎn)換的重要部件其服役環(huán)境變得更加復(fù)雜和惡劣[1]。其中，受熱面高溫段管子內(nèi)壁承受高溫、高壓流動(dòng)工質(zhì)的沖刷，外壁承受高溫?zé)煔獾膶α鬏椛鋫鳠幔食蔀樾孤┦鹿实母甙l(fā)部位[2-3]。某電廠鍋爐型號為HG-420/13.7-YM3，爐膛寬度為9 580 mm，爐膛深度為9 580 mm，鍋爐主蒸汽壓力為16.8 MPa，溫度為540℃，再熱蒸汽壓力為3.17 MPa，溫度為536.86℃。屏式再熱器規(guī)格為Φ63 mm×4 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG和T91。

某日10時(shí)發(fā)現(xiàn)B側(cè)長伸縮式吹灰器(編號R3)處發(fā)出異響，檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐折煙角區(qū)域泄漏報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)爐膛負(fù)壓、給水流量、蒸汽流量等參數(shù)處于正常波動(dòng)范圍內(nèi)，因此確認(rèn)鍋爐發(fā)生“四管”泄漏事故，泄漏“四管”位于B側(cè)鍋爐折煙角區(qū)域的屏式再熱器。為分析屏式再熱器泄漏的根本原因，本文對泄漏管子進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織研究，并提出相關(guān)建議，可供同類型機(jī)組參考借鑒。

1 試驗(yàn)方法

為分析失效樣品顯微組織變化情況，本文采用現(xiàn)場顯微鏡PTI-2000對屏式再熱器取樣管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，放大倍數(shù)為200×，金相檢驗(yàn)時(shí)T91的腐蝕液為硝酸鹽酸水溶液，12C1MoVG的腐蝕液為4%的硝酸酒精溶液。

屏式再熱器化學(xué)成分分析采用MAXx07-F型臺式光譜儀，室溫拉伸試驗(yàn)采用DNS300型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，取直管段制作縱向拉伸試樣，試樣長度為200 mm，截面規(guī)格為10 mm×4 mm，標(biāo)距為100 mm，試驗(yàn)溫度為24℃，拉伸速度為10 mm/min，同時(shí)采用THB-3000S型布氏硬度計(jì)對爆口附近位置進(jìn)行布氏硬度測試，現(xiàn)場測厚儀型號為時(shí)代TT100，測厚精度為±0.1 mm。

2 試驗(yàn)分析及其結(jié)果

2.1 現(xiàn)場宏觀檢查

冷卻停爐檢查發(fā)現(xiàn)，兩條存在泄漏點(diǎn)的屏式再熱器管位于從B側(cè)往A側(cè)數(shù)第4排外數(shù)第1根及第2根，泄漏位置及部位見圖1和圖2。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，1號彎管內(nèi)弧側(cè)、2號彎管外弧側(cè)均存在兩處泄漏點(diǎn)，并且1號彎管的防護(hù)瓦已經(jīng)吹損丟失。1號彎管整體失效圖如圖3所示，2號彎管整體失效圖如圖4所示，附近第4屏的屏式再熱器由于蒸汽泄漏導(dǎo)致輕微吹損，損傷形貌如圖5所示。

圖1 泄漏位置宏觀圖

圖2 泄漏部位宏觀圖

圖3 1號彎管內(nèi)弧泄漏點(diǎn)圖片

圖4 2號彎管外弧泄漏點(diǎn)圖片

圖5 第4屏蒸汽吹損損傷圖

現(xiàn)場對泄漏點(diǎn)附近管子進(jìn)行壁厚測量，發(fā)現(xiàn)未吹損部位未發(fā)現(xiàn)明顯減薄，爆口附近管壁減薄明顯，測厚數(shù)據(jù)見表1。觀察管子宏觀形貌，失效部位屏式再熱器未出現(xiàn)明顯的脹粗現(xiàn)象，同時(shí)爆口形貌不符合長時(shí)過熱及短時(shí)過熱爆口特征，爆口周圍不存在裂紋性質(zhì)缺陷，在宏觀檢查時(shí)并未發(fā)現(xiàn)管子存在原始缺陷。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，泄漏的2號管存在出列變形，現(xiàn)場實(shí)際測量2號管出列30 mm，具體情況如圖6所示。現(xiàn)場檢查泄漏管子附近的吹灰器區(qū)域管屏及爆口相鄰管屏的管壁，發(fā)現(xiàn)無明顯吹損現(xiàn)象，因此本次失效與吹灰器吹損無關(guān)。

表1 屏式再熱器管現(xiàn)場測厚數(shù)據(jù) mm

圖6 存在出列的2號管照片

2.2 化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

對失效樣品取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示1號化學(xué)成分符合ASME SA-213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》標(biāo)準(zhǔn)要求，2號管子化學(xué)成分符合GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，具體化學(xué)成分如表2所示。

表2 材料化學(xué)成分 wt%

力學(xué)性能測試結(jié)果如表3所示。1號鋼管母材的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均符合ASME SA-213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》的標(biāo)準(zhǔn)要求，2號鋼管抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均符合GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求。對相應(yīng)直管段進(jìn)行布氏硬度測試，硬度平均值均符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》附錄C要求。

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果

2.3 金相檢查

采用便攜式金相顯微鏡對屏式再熱器進(jìn)行爆口附近管樣金相組織分析放大倍數(shù)為200倍，金相圖片如圖7和圖8所示。

圖7 1號管爆口附近金相圖

圖8 2號管爆口附近金相圖

從金相組織可以看出，1號彎管金相組織為回火馬氏體+碳化物，馬氏體呈版條狀，形態(tài)清晰。2號彎管金相組織為珠光體+鐵素體，珠光體形態(tài)雖然已經(jīng)有所分散，但仍保留原來的珠光體區(qū)域。1號和2號彎管金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)金相組織未見異常并且未出現(xiàn)過熱組織。查看當(dāng)日爆口樣管壁溫測點(diǎn)及附近壁溫測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)記錄，也未發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行過程中存在超溫現(xiàn)象，因此排除由于過熱造成本次爆管的可能性。

3 原因分析及討論

綜合理化及力學(xué)性能分析可知，1號管及2號管不存在材質(zhì)劣化現(xiàn)象，同時(shí)機(jī)械性能及化學(xué)

成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。宏觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，2號管存在出列變形，由于管子的出列變形會阻擋煙氣流道，同時(shí)出列的管子將遭受煙氣的沖刷導(dǎo)致磨損加劇，造成管道減薄，減薄嚴(yán)重時(shí)將超限爆破，因此2號管的出列變形是本次屏式過熱器泄漏事故的直接原因。根據(jù)爆口位置形態(tài)可知，2號管中爆口3應(yīng)為首爆口。2號管出列變形后，運(yùn)行過程中受到煙氣的長期磨損，彎管外弧處的防護(hù)瓦逐漸減薄，當(dāng)護(hù)瓦被吹損破壞后管壁將受到煙氣的直接沖刷，管壁不斷減薄當(dāng)有效承載面積不足時(shí)首爆口3出現(xiàn)。爆口3泄漏的蒸汽將沖刷對側(cè)1號管的管壁，直至1號管被吹損泄漏，1號管中泄漏的蒸汽受到防護(hù)瓦卡扣的阻擋導(dǎo)致爆口2的產(chǎn)生，爆口1，2內(nèi)的蒸汽又再一次對2號管進(jìn)行反吹，因此又形成了爆口4。爆口形成的過程中，2號管外防護(hù)瓦吹損丟失，因此初始爆口由于煙氣及飛灰磨損形成的初始磨損狀態(tài)被破壞。

管子的出列變形是本次事故的直接原因，因此實(shí)際檢修過程中要堅(jiān)持逢停必檢的工作原則，必要時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況制作卡具，防止管子變形出列，而出列變形的管子要及時(shí)恢復(fù)。運(yùn)行過程中也應(yīng)注意煤質(zhì)對管子磨損的影響，煤粉中的灰分增加將會導(dǎo)致煙氣中的含灰量增加，加劇管子的磨損程度。同時(shí)檢修過程中要注意檢查長伸縮式吹灰器的吹掃行程、吹灰器周圍管壁是否存在吹損現(xiàn)象，防止吹灰器故障對管壁進(jìn)行吹損，導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)確保機(jī)組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性。