火電機組鍋爐水冷壁管泄漏原因

王 坤

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司 西北電力試驗研究院,西安 710021)

水冷壁管是電站鍋爐的重要組成部分之一,通常布置在爐膛四周或中間,主要通過熱對流、熱輻射等方式吸收爐膛中燃煤、燃氣產生的高溫火焰及煙氣熱量,再將熱量傳遞給管內循環流動的介質,使其汽化形成汽水混合物或飽和蒸汽,完成汽水循環[1-4]。目前為保證火電廠大容量、高溫、高壓鍋爐的爐膛氣密性良好,通常采用管子與鰭片(扁鋼條)相互連續焊接而成的膜式水冷壁結構,水冷壁管內外環境差異較大,工作條件苛刻,在服役過程中易發生吹損減薄、高溫腐蝕、超溫、堿腐蝕、鰭片拉裂等問題,最終發生爆管現象并導致機組停運,嚴重影響了機組的運行安全[5-9]。

某火電廠二期4號機組于2019年6月發生鍋爐水冷壁管泄漏事故,停機后檢查發現共有4根泄漏管,爐左第5,6,24根管局部開裂,爐右第7根管斷裂。該鍋爐爐膛水冷壁為膜式鰭片結構,由規格為60 mm×7.5 mm(外徑×壁厚)、材料為SA210C鋼的光管和內螺紋管與6 mm(厚度)鰭片焊接而成,節距為76 mm。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了水冷壁管泄漏的原因,并提出了改進建議,以避免該類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

爐右第7根斷裂管(1號試樣)的宏觀形貌如圖1所示,爐左第5根開裂管(2號試樣)的宏觀形貌如圖2所示。由圖1,2可知:爐右第7根斷裂管斷裂位置為鰭片與水冷壁焊縫切口端部;爐左第5根開裂管的開裂位置為鰭片V形切口底部尖端。

圖1 爐右第7根斷裂管的宏觀形貌

圖2 爐左第5根開裂管的宏觀形貌

1號試樣斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知:1號試樣起裂源位于鰭片與水冷壁焊縫切口端部,且起裂源有兩處;通過觀察斷口表面金屬顏色可以判斷,源區1首先發生開裂,裂紋向對側快速擴展,裂紋擴展至接近源區2時,在源區2產生了新的裂紋,并向源區1方向擴展,裂紋在接近源區2的一端匯合,使試樣最終發生了斷裂;在整個斷口上,裂紋源區面積最小,裂紋擴展區面積最大。上述裂紋源也是較為明顯的應力集中部位。

圖3 1號試樣斷口宏觀形貌

將2號試樣縱向剖開,觀察開裂截面的宏觀形貌,結果如圖4所示。由圖4可知:2號試樣鰭片V形切口底部加工工藝較差,形狀較為尖銳,應力集中明顯,該處為裂紋的起裂位置,裂紋擴展速率較快;在整個斷口上,裂紋源區面積最小,裂紋擴展區面積最大。

圖4 2號試樣開裂截面的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

使用光譜分析儀分別對1號、2號試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:1號、2號試樣的化學成分均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

1.3 力學性能測試

依照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 5310—2017,分別在1號試樣斷面、2號試樣開裂處的臨近母材上取樣,對試樣進行力學性能測試,結果如表2所示。由表2可知:1號試樣的抗拉強度和斷后伸長率不符合GB/T 5310—2017標準要求,屈服強度滿足標準要求;2號試樣的力學性能均滿足標準要求。

表2 1號、2號試樣的力學性能測試結果

對1號、2號試樣進行硬度測試,結果如表3所示。由圖3可知:1號、2號試樣的硬度均符合DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》的要求。

表3 1號、2號試樣的硬度測試結果 HB

1.4 金相檢驗

在1號試樣裂紋源處取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖5所示。由圖5可知:1號試樣裂紋源附近位置分為3個區域,I區為鰭片,顯微組織為珠光體+鐵素體,珠光體球化等級為2級;II區為鰭片與焊接角焊縫熔合線區域,顯微組織為較粗大的貝氏體+鐵素體;III區為管子母材與鰭片焊接角焊縫區域,顯微組織為貝氏體+鐵素體。

圖5 1號試樣裂紋源處的顯微組織形貌

分別在1號試樣斷口處母材和2號試樣開裂處母材位置取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖6,7所示。由圖6,7可知:1號試樣母材的顯微組織為鐵素體+珠光體,珠光體球化等級為2級;2號試樣母材的顯微組織為鐵素體+珠光體,珠光體球化等級為2級;1號、2號試樣的顯微組織均未見異常,因此可初步判定缺陷的產生與材料老化無關。

圖6 1號試樣斷口處母材的顯微組織形貌

圖7 2號試樣開裂處母材的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

在1號試樣裂紋源處取樣,用掃描電鏡觀察試樣,結果如圖8所示。由圖8可知:1號試樣裂紋源處呈河流狀花樣形貌,為解理斷口的特征形貌,屬于典型的脆性開裂,局部存在微裂紋。

圖8 1號試樣裂紋源處SEM形貌

1.6 外徑和壁厚測量

分別對1號、2號試樣進行外徑和壁厚測量,結果如表4所示。由表4可知:1號、2號試樣的壁厚測量結果均符合DL/T 939—2016《火力發電廠鍋爐受熱面管監督檢驗技術導則》的要求;1號、2號試樣的外徑蠕變應變均符合DL/T 438—2016的要求。

表4 1號、2號試樣的外徑和壁厚測量結果

2 現場運行情況及管子安裝結構檢查

2.1 現場運行情況

經與電廠運行人員確認,該水冷壁管泄漏前,鍋爐啟動過程中的升溫和升壓曲線正常、鍋爐膨脹系統正常、鍋爐點火期間水質正常,且運行中鍋爐載荷穩定。因此可以排除現場運行情況的影響因素。

2.2 管子安裝結構

敷管式爐墻的水冷壁爐墻外層無護板和框架梁,因此其剛性較差。為了能承受爐膛內可能產生的爆燃壓力和爐內正壓、負壓的變化,且使管子和爐墻在受到較大的推力時不產生凸起或裂紋,所有敷管式爐墻必須圍繞爐膛四壁在爐外分層布置剛性梁。常用剛性梁結構型式為搭接式,并沿爐膛高度每隔3～4 m布置整圈,將爐墻和管子連接起來,并使之形成具有剛性的平面,部分重要區域還會緊貼管子加裝張力吊板,從而進一步增強其穩定性。剛性梁和張力板的結構穩定是水冷壁管安全運行的重要保障。對管子現場實際安裝情況進行檢查,發現泄漏管附近的多處剛性梁和搭接板連接螺栓出現松動現象,直接導致了水冷壁管的結構穩定性下降(見圖9,10)。

圖9 連接螺栓松動位置現場

圖10 松動連接螺栓的宏觀形貌

對比鍋爐廠設計圖紙發現,現場安裝的搭板扣件型式與設計圖紙明顯不符,設計圖紙中的搭板扣件為L型,現場安裝的搭板扣件為長條形,該搭板扣件無法有效固定張力吊板。設計圖紙中的張力吊板安裝結構和現場實際安裝情況如圖11,12所示。

圖11 設計圖紙中的張力吊板安裝結構示意

圖12 現場實際安裝情況

3 綜合分析

綜合上述分析可知,1號、2號試樣的化學成分、力學性能、硬度等均符合標準要求,顯微組織未見異常,且均未發現明顯脹粗及管壁減薄等現象,因此水冷壁管泄漏與材料本身性能無關。剛性梁連接螺栓松動降低了剛性梁及搭接板連接結構的穩定性,加劇了水冷壁管運行中的振動;搭板扣件的實際安裝情況與圖紙設計不符,使其無法對張力吊板提供爐外側的約束,導致張力吊板在運行過程中產生振動及位移,對管子造成傷害;水冷壁鰭片切口的加工工藝較差,端部及根部外形尖銳,未進行圓滑過渡,導致該處應力集中程度較大,在鍋爐運行過程中,鰭片應力集中部位受到自身運行產生的交變應力以及結構松動導致的振動作用,最終成為起裂源,且裂紋不斷擴展,最終導致水冷壁管破裂并發生泄漏。

4 結論及建議

水冷壁管鰭片切割工藝差,使得切口端部及根部形成應力集中,現場剛性梁安裝松動以及張力吊板的搭板扣件未按照設計圖紙進行制作,降低了結構穩定性,使得水冷壁管在應力集中部位發生開裂,裂紋不斷擴展,最終導致水冷壁管發生泄漏。

建議全面排查目前水冷壁管鰭片切口位置是否存在裂紋,對于存在裂紋且未擴展至管道母材的管子,應及時消除其裂紋,并對所有管子鰭片切口的端部和根部進行圓滑過渡。改善水冷壁管鰭片切口的切割工藝,換管作業時,鰭片經切割后,必須對其尖銳位置進行圓滑過渡,降低該位置的應力集中程度。對鍋爐剛性梁結構進行排查,并將該項檢查列入后續常規檢修計劃,每次機組停機檢修時,需對剛性梁結構進行全面檢查,及時緊固松動的螺栓,修復變形的構件,恢復剛性梁結構的整體穩定。全面排查該機組其余位置搭板扣件的安裝型式,對于未按照設計圖紙制作安裝的搭板扣件,應按設計要求重新制作并安裝。