張凡志， 王賢明， 陳 健， 黃一君， 梁 震

(1. 浙江浙能電力股份有限公司臺(tái)州發(fā)電廠， 浙江臺(tái)州 318016； 2. 浙江浙能技術(shù)研究院有限公司， 杭州 311121)

燃煤火電機(jī)組由于鍋爐系統(tǒng)故障所導(dǎo)致的非計(jì)劃停運(yùn)(簡稱鍋爐系統(tǒng)非停)次數(shù)占總非停次數(shù)的比例較大，而鍋爐受熱面故障在鍋爐系統(tǒng)故障的占比較大。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)(簡稱中電聯(lián))統(tǒng)計(jì)，在2012年—2016年1 000 MW等級(jí)燃煤火電機(jī)組非停中，鍋爐系統(tǒng)非停次數(shù)占總非停次數(shù)的46.99%、鍋爐系統(tǒng)非停時(shí)長占總非停時(shí)長的57.30%；其中，鍋爐受熱面故障造成的非停(簡稱鍋爐受熱面非停)次數(shù)占鍋爐系統(tǒng)非停次數(shù)的43.60%，鍋爐受熱面非停時(shí)長占鍋爐系統(tǒng)非停時(shí)長的81.06%[1]。根據(jù)中電聯(lián)2013年對(duì)100 MW及以上火電機(jī)組非停的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鍋爐系統(tǒng)非停次數(shù)約占總非停次數(shù)的57%，鍋爐系統(tǒng)非停時(shí)長占總非停時(shí)長的77.09%；鍋爐受熱面非停次數(shù)占鍋爐系統(tǒng)非停次數(shù)的51.15%，鍋爐受熱面非停時(shí)長占鍋爐系統(tǒng)非停時(shí)長的71.81%[2]。

在機(jī)組非停中，鍋爐受熱面故障占比很大，鍋爐受熱面的故障分析和研究一直以來受人關(guān)注。但是，鍋爐受熱面的用鋼材類繁多、數(shù)量巨大，并且在長期運(yùn)行后組織和性能會(huì)發(fā)生變化，在事故發(fā)生前預(yù)測和防范鍋爐受熱面故障的難度較大。針對(duì)已發(fā)生的鍋爐水冷壁、省煤器、過熱器、再熱器受熱面故障進(jìn)行失效分析的研究和分析較多，大多是在事故發(fā)生后結(jié)合現(xiàn)場故障宏觀情況，參考鍋爐設(shè)計(jì)資料或者自行熱力計(jì)算，采用金相和力學(xué)試驗(yàn)等理化試驗(yàn)結(jié)果分析故障原因，提出防范故障再次發(fā)生的措施[3-10]。

從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容修訂的角度切入，可以簡單和快速地篩選出需要重點(diǎn)監(jiān)控的薄弱鋼材，筆者根據(jù)DL/T 715《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》[11-12]，比較前、后兩版標(biāo)準(zhǔn)中鋼材適用條件的差異，以某亞臨界鍋爐再熱器應(yīng)用的12Cr2MoWVTiB，即鋼102為例，評(píng)價(jià)鋼材性能，并為火電廠技術(shù)人員篩選和分析薄弱鋼材提供參考。

1 鍋爐概況

該鍋爐1997年投運(yùn)，為亞臨界參數(shù)，中間再熱，自然循環(huán)單汽包爐。爐膛由膜式水冷壁構(gòu)成，爐膛上部布置了屏式過熱器，折焰角上方有二級(jí)高溫過熱器，在水平煙道處布置了高溫再熱器，尾部豎井由隔墻分成前后兩個(gè)煙道，豎井前部布置水平再熱器，后部布置一級(jí)過熱器和省煤器。在設(shè)計(jì)煤種下，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下的高溫再熱器部分參數(shù)見表1。

表1 鍋爐高溫再熱器部分參數(shù)

在鍋爐水平煙道處布置的高溫再熱器，8管圈并繞，沿爐寬布置62屏，原設(shè)計(jì)管材包括12Cr1MoV、鋼102、SA-213TP304H，管子外徑為60 mm、壁厚為4.5 mm，布置情況見圖1。由表1可知，高溫再熱器所處煙溫在841～970 ℃。

圖1 高溫再熱器材質(zhì)布置示意圖

2 受熱面材料選用

2.1 選材依據(jù)

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 715—2000《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》根據(jù)原電力工業(yè)部1996年電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目的安排制訂，是我國電力行業(yè)第一部關(guān)于選用火電機(jī)組重要部件金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)，直至2015年才修訂產(chǎn)生了DL/T 715—2015 《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力行業(yè)技術(shù)人員有著重要的參考價(jià)值[11-12]。DL/T 715中對(duì)鋼102特性和主要應(yīng)用范圍的介紹見表2，推薦壁溫由2000年版的600 ℃下降到2015年版的575 ℃。

在DL/T 715—2000出現(xiàn)前，業(yè)內(nèi)認(rèn)為鋼102是適用于壁溫≤600 ℃的受熱面管；但是隨著對(duì)鋼102材料性能認(rèn)識(shí)的深入，DL/T 715—2015將鋼102推薦壁溫下調(diào)。因此，對(duì)于仍在使用鋼102的在役鍋爐，有必要判斷其是否適用。

表2 DL/T 715中鋼102的主要應(yīng)用范圍

2.2 設(shè)計(jì)壁溫

鍋爐再熱器金屬壁溫受煙溫分布、受熱面結(jié)構(gòu)、布置位置和內(nèi)部介質(zhì)等諸多因素影響，計(jì)算獲得準(zhǔn)確壁溫的難度很大[13-17]。將該鍋爐設(shè)計(jì)單位提供的不同材料的再熱器出口管(外徑60 mm、壁厚4.5 mm)的設(shè)計(jì)壁溫與DL/T 715推薦的應(yīng)用范圍進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，再熱器出口管使用鋼102和SA-213TP304H在壁溫上留有裕度，并把12Cr1MoV用至上限。但是，從DL/T 715—2015可知，鋼102和SA-213TP304H的推薦應(yīng)用溫度下調(diào)，12Cr1MoV的應(yīng)用溫度上調(diào)。因此，鋼102在運(yùn)行過程中可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 運(yùn)行壁溫

在鍋爐運(yùn)行中，不同的管屏管內(nèi)蒸汽側(cè)的傳熱量和煙氣側(cè)的吸熱量都不同，而且機(jī)組負(fù)荷的波動(dòng)、減溫水的噴入等因素都會(huì)對(duì)受熱面壁溫產(chǎn)生影響，受熱面壁溫變化速率大。盡管鋼管在爐內(nèi)外的實(shí)際壁溫有差別，而且裝設(shè)在爐外的壁溫測點(diǎn)處沒有保溫導(dǎo)致壁溫測量值比實(shí)際值偏低，但是在工程上尚無很好的監(jiān)測手段，仍是根據(jù)在線爐外壁溫推測被煙氣包圍的爐內(nèi)管是否發(fā)生超溫[13-17]。

查看該鍋爐再熱器出口壁溫測點(diǎn)的2015年全年監(jiān)測數(shù)據(jù)，其全年最高值(596.27 ℃)出現(xiàn)在8月某天，選取該壁溫值高點(diǎn)附近32 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。沿鍋爐側(cè)墻至鍋爐中心均勻選取9個(gè)壁溫測點(diǎn)，對(duì)其每天的最高值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并形成曲線(見圖2)。由圖2可以看出：壁溫最高值對(duì)應(yīng)的測點(diǎn)為TE18133(596.27 ℃)，TE18122、TE18144測點(diǎn)的顯示值均較高，其壁溫低值在561 ℃，高值達(dá)到585 ℃及以上，甚至高達(dá)596.27 ℃。與之形成對(duì)比的是TE18116、TE18127、TE18128測點(diǎn)，其最高值均低于577 ℃，TE18114、TE18125、TE18136測點(diǎn)的最高值均低于510 ℃。從實(shí)測壁溫情況來看，鋼102實(shí)際溫度確實(shí)存在超過DL/T 715—2015規(guī)定最高壁溫的情況。

圖2 再熱器出口壁溫測點(diǎn)的數(shù)據(jù)高值統(tǒng)計(jì)

3 檢查和試驗(yàn)

3.1 爐內(nèi)檢查

DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》指出，對(duì)于再熱器管，壁厚減薄量不應(yīng)超過設(shè)計(jì)壁厚的30%；當(dāng)發(fā)現(xiàn)再熱器管外表面氧化皮厚度超過0.6 mm時(shí)應(yīng)及時(shí)換管。實(shí)際工作中，檢修時(shí)間有限，鍋爐受熱面數(shù)量大，且鍋爐受熱面管表面黏附了灰渣等物質(zhì)，通過辨別管子外表面氧化皮和灰渣等物質(zhì)分界面，進(jìn)而測量氧化皮厚度的方法有一定難度。該機(jī)組再熱器管子41-7(從爐左向右數(shù)第M屏，從爐前向后數(shù)第N根管子，記作M-N)，外壁氧化皮的剝落情況明顯(見圖3)。

圖3 爐內(nèi)高溫再熱器鋼102管檢查情況

一般通過目測發(fā)現(xiàn)表面情況異常的受熱面管子，對(duì)于管外壁氧化皮較厚的管子，可以先采用打磨清除管外壁灰渣、氧化皮，再進(jìn)行超聲波測厚的方法，從而快速判斷是否需要進(jìn)行換管處理。對(duì)于管外壁氧化皮異常的受熱面豎直管，外壁氧化皮越厚，熱阻越大，不利于傳熱，會(huì)導(dǎo)致管子壁溫上升，加劇金屬的氧化過程，加速內(nèi)壁氧化皮的生成。相同材質(zhì)的管內(nèi)壁氧化皮越厚，剝落導(dǎo)致后果可能越嚴(yán)重，有必要對(duì)管外壁氧化皮較厚的豎直管，采用射線檢測下彎頭等方法排查管內(nèi)氧化皮是否堵塞，若發(fā)現(xiàn)堵塞應(yīng)及時(shí)清理。

受檢修時(shí)間和現(xiàn)場條件制約并未對(duì)所有高溫再熱器管屏現(xiàn)場測厚，對(duì)運(yùn)行期間壁溫測點(diǎn)高值(見圖2)或外表面情況較差的第10、12、13、14、40、41、42屏的出口管子，尤其是鋼102材質(zhì)的管子進(jìn)行重點(diǎn)檢查，在相同標(biāo)高位置(見圖1)對(duì)管子外表面磨除氧化皮后進(jìn)行超聲波測厚，該56根管的壁厚曲線見圖4?，F(xiàn)場測量壁厚結(jié)果顯示，小于等于設(shè)計(jì)壁厚的70%(3.15 mm)的管子共有5根，對(duì)應(yīng)的高溫再熱器管分別為12-7、13-5、13-7、13-9、13-10，不符合DL/T 438—2016關(guān)于壁厚的要求。對(duì)這些壁厚不符合要求的管子現(xiàn)場做好位置、規(guī)格、向火側(cè)和背火側(cè)等標(biāo)記，然后進(jìn)行換管處理。

圖4 高溫再熱器管現(xiàn)場壁厚測量值

3.2 理化試驗(yàn)

對(duì)上述5根鋼102管樣品在實(shí)驗(yàn)室使用體視顯微鏡測量壁厚，結(jié)果見圖5。

圖5 樣品和體視顯微鏡測厚

用金相顯微鏡檢查樣品氧化皮厚度和金相組織，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 樣品內(nèi)外壁氧化皮測厚

圖7 樣品的金相組織

用維氏硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行了硬度測量，將鋼102管樣品的壁厚、氧化皮厚度及維氏硬度的測試結(jié)果匯總于表4。

表4 壁厚、氧化皮厚度和維氏硬度的測試結(jié)果

由表4可以看出：所選樣品中，壁厚最小為2.26 mm；比較顯微鏡測厚與檢修現(xiàn)場壁厚的數(shù)據(jù)，5根管子中有4根測量值小于或接近3.15 mm。1根略大于3.15 mm，對(duì)施工現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，可見現(xiàn)場測厚數(shù)據(jù)基本準(zhǔn)確，能夠滿足現(xiàn)場檢修快速有效進(jìn)行判定的需求。樣品的內(nèi)壁氧化皮均出現(xiàn)不同程度的分層，內(nèi)、外壁氧化皮較厚，脫落風(fēng)險(xiǎn)大，還增大了再熱器內(nèi)部蒸汽介質(zhì)與外部煙氣的傳熱熱阻。一般來說，鍋爐受熱面管內(nèi)壁氧化皮的厚度由向火側(cè)至背火側(cè)逐步減薄[18]，但是會(huì)有剝落情況發(fā)生，出現(xiàn)了表4中13-7管子的情況。樣品的金相組織為鐵素體+少量貝氏體，老化級(jí)別為4.0～4.5級(jí)，老化嚴(yán)重。樣品的維氏硬度滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》關(guān)于鋼102的正常范圍(160 HV～230 HV)，由于在施工現(xiàn)場對(duì)再熱器等受熱面小徑管里氏硬度測量的可信度不高，該項(xiàng)工作一般在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果表明，管樣存在明顯的壁厚減薄和組織老化現(xiàn)象。

4 分析和建議

鍋爐受熱面管內(nèi)壁氧化皮的增長厚度與其在該時(shí)間段服役的當(dāng)量金屬溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。某種管子不論其在何種溫度、何種應(yīng)力條件下運(yùn)行時(shí)間有多長，其壽命的損耗程度可以等效成在某一固定的金屬溫度及特定的應(yīng)力條件下服役了相同時(shí)間，該等效的金屬溫度稱為當(dāng)量金屬溫度。當(dāng)量金屬溫度可使用Laborelec經(jīng)驗(yàn)公式[19-20]計(jì)算，即

(1)

式中：T為當(dāng)量金屬溫度，℃；x為管子內(nèi)壁氧化層厚度，mm；τ為管子已運(yùn)行時(shí)間，h；a、b為材料常數(shù)。

受熱面管內(nèi)壁氧化皮處于生成、變厚、分層、剝落和重新生成的動(dòng)態(tài)過程，沿管圈的厚度不同[18]，基于內(nèi)壁氧化皮厚度計(jì)算的當(dāng)量金屬溫度也會(huì)有變化。由管樣向火側(cè)和背火側(cè)內(nèi)壁氧化皮厚度得到的當(dāng)量金屬溫度見表5。而且，管樣對(duì)應(yīng)金屬壁溫也較高(見圖2)，再熱器鋼102的金屬壁溫能達(dá)到580 ℃以上，甚至個(gè)別點(diǎn)可達(dá)590 ℃以上，已經(jīng)不符合DL/T 715—2015的相應(yīng)規(guī)定。在后續(xù)進(jìn)行鍋爐受熱面壽命評(píng)估或者受熱面升級(jí)改造[18-19,21]時(shí)，也要關(guān)注對(duì)該類鋼材的分析和處理。

表5 樣品管向火側(cè)和背火側(cè)的當(dāng)量金屬溫度

5 結(jié)語

筆者結(jié)合亞臨界鍋爐高溫再熱器的分析，實(shí)例驗(yàn)證了DL/T 715對(duì)鋼102應(yīng)用范圍修訂的準(zhǔn)確性，由此快速篩選出同類電廠中需要重點(diǎn)關(guān)注的薄弱鋼材。針對(duì)此類鋼材，務(wù)必重視其運(yùn)行壁溫?cái)?shù)據(jù)的排查和分析，對(duì)于壁溫測點(diǎn)溫度長期較高的，檢修時(shí)著重檢查對(duì)應(yīng)爐內(nèi)管的形貌和壁厚等情況，必要時(shí)采取受熱面壽命評(píng)估或者升級(jí)改造等措施。

在實(shí)際工作中，相關(guān)技術(shù)人員還應(yīng)根據(jù)管樣拉伸、沖擊等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)征求鍋爐設(shè)計(jì)人員的意見，綜合評(píng)估鋼材性能。評(píng)估認(rèn)為某鋼材性能無法滿足安全需要時(shí)，有必要對(duì)鍋爐降低蒸汽參數(shù)運(yùn)行或者進(jìn)行受熱面鋼材的升級(jí)改造，以確保鍋爐的安全。