王 浩，馬 飛

(華電渠東發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

近年來，隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，給燃煤市場帶來了較大的沖擊與壓力。市場上出現(xiàn)了較多低質(zhì)量的燃煤，給火力發(fā)電廠的鍋爐管理工作增加了難度，鍋爐的受熱面頻發(fā)泄漏安全事故，并且事故呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化、反復(fù)化的發(fā)展趨勢。近年來我國高參數(shù)、大容量的火電機組不斷增加，這類機組如果發(fā)生計劃范圍以外的停運事件，會嚴(yán)重影響火電廠經(jīng)濟效益的提升，不但會造成企業(yè)巨大的經(jīng)濟損失，而且會影響電網(wǎng)部門的正常調(diào)度。尤其是冬季涉及民生供暖，對機組的安全穩(wěn)定性要求更高。鍋爐作為火電廠三大主機之一，在非停事件中占較大比例[1-3]，且據(jù)火電廠事故率的統(tǒng)計，約有3/5的停機事故都是由于鍋爐的爆管問題導(dǎo)致的[4]。電站水冷壁管長期在惡劣的工況下運行，發(fā)生爆管泄漏是較為常見的事故[5]，因此，電力企業(yè)在設(shè)備管理工作中，必須高度重視鍋爐“四管”的管理，尤其是“四管”更換焊接工藝質(zhì)量管控[6]，應(yīng)當(dāng)不斷提升管理水平，完善全流程工藝質(zhì)量監(jiān)督，以確保鍋爐受熱面維持正常運行狀態(tài)。下面結(jié)合某電廠水冷壁管因焊接工藝不良導(dǎo)致機組啟動后焊縫發(fā)生泄漏事故，提出了一些總結(jié)和建議，為同類型機組制定相應(yīng)的防范措施提供參考。

1 設(shè)備簡介

1.1 鍋爐概況

某電廠機組容量2×330 MW，鍋爐為上海鍋爐廠亞臨界壓力中間一次再熱控制循環(huán)汽包爐，型號SG-1113/17.5-M887，過熱蒸汽流量1 113 t/h，過熱蒸汽出口壓力17.5 MPa，過熱蒸汽出口溫度540 ℃。

鍋爐為單爐膛“Π”型露天布置，采用雙進(jìn)雙出鋼球磨正壓冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)，四角切圓燃燒方式，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，固態(tài)排渣。爐膛寬度為14 022 mm，深度為11 760 mm。爐頂管中心線標(biāo)高為60 500 mm，汽包中心線標(biāo)高為61 420 mm，爐頂大板粱底標(biāo)高為69 400 mm。爐頂采用金屬全密封結(jié)構(gòu)并設(shè)大罩殼，爐膛由φ45膜式水冷壁組成，爐室下水包標(biāo)高為7 500 mm。爐底冷灰斗角度55°，機組于2012年12月開始投產(chǎn)使用。

1.2 爐管概況

水冷壁由爐膛四周及折焰角、延伸側(cè)墻組成，水冷壁采用外徑φ45的光管和內(nèi)螺紋管，節(jié)距為57 mm，管間用扁鋼焊接形成完全氣密封爐膛。爐膛拆煙角是由節(jié)距為63.33 mm，外徑為φ51的內(nèi)螺紋管加扁鋼焊接而成。水冷壁延伸側(cè)墻采用φ51的光管，節(jié)距為114 mm。水冷壁為膜式壁。

前后墻水冷壁在標(biāo)高15 692 mm處與水平呈55°的夾角形成冷灰斗，冷灰斗下傾至標(biāo)高7 780 mm處形成寬度為1 140 mm的出渣口。爐膛水冷壁除爐底、墻式再熱器布置部分、延伸側(cè)墻及拱后底采用光管外均采用內(nèi)螺紋管。

爐膛水冷壁共有870根上升管，其中前后墻各245根，兩側(cè)墻各190根，其中切角部分每個切角各20根，四個切角共計80根管子。循環(huán)回路共計54個，包括前墻7個，后墻12個，兩側(cè)墻各為7個，四個切角為21個。

2 水冷壁失效情況

2021-06-05T13：10，機組負(fù)荷166 MW，主汽壓力10.2 MPa，主給水流量490 t/h，汽壓、汽溫?zé)o超壓、超溫情況。13：10，運行巡檢發(fā)現(xiàn)1號鍋爐30 m左墻與后墻2號角觀火孔位置可聽見輕微泄漏聲音，打開觀火孔檢查未發(fā)現(xiàn)明顯水汽外泄，聲音為斷續(xù)升降。6月7日機組停機后檢查確認(rèn)為1號鍋爐后墻標(biāo)高約30 m，左數(shù)第43，44根水冷壁泄漏。

泄漏點位于1號鍋爐后墻43，44根水冷壁管焊口位置。43根泄漏點5處，兩處為斷續(xù)沿軸向開裂，中間未貫通，長度約1 cm，其余三處均為1 mm以下圓形漏點。44根泄漏點4處，一處位于焊縫上熔合線位置，尺寸為6 mm×3 mm；一處為狹長型漏點，長度約5×1 mm；另兩處為圓形漏點，一處直徑約1 mm，一處約0.5 mm。

3 原因分析

3.1 水冷壁鰭片及內(nèi)窺鏡檢查

對1號爐水冷壁鰭片焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)水冷壁管間的鰭片焊縫也存在很多缺陷，焊縫彎曲不平直、局部堆積過多、咬邊現(xiàn)象嚴(yán)重，在進(jìn)行磁粉檢查過程中出現(xiàn)了未熔合、裂紋等缺陷。內(nèi)窺鏡檢查第44根水冷壁管內(nèi)部焊縫，焊縫成型較差，焊肉堆積。

3.2 剖面及宏觀金相檢查

對1號爐水冷壁泄漏點宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)原始泄漏點為爐左數(shù)第44根水冷壁管焊縫處。對爐左數(shù)第44根水冷壁管沿縱軸線剖開觀察內(nèi)壁，可見焊縫處泄漏點。對爐左數(shù)第44根水冷壁管焊縫原始泄漏點處取2個試樣進(jìn)行金相檢驗，編為1號、2號。觀察泄漏點處1號、2號試樣宏觀金相均存在明顯氣孔。

3.3 定量光譜分析

對爐左數(shù)第44根水冷壁管泄漏點上方180 mm處母材取1個試樣進(jìn)行光譜分析，編為1號試樣；對泄漏點同標(biāo)高的爐左數(shù)第43根水冷壁管焊縫上方180 mm處母材取1個試樣進(jìn)行光譜分析，編為2號試樣。試樣化學(xué)元素成分見表1。

表1 試樣化學(xué)元素成分 %

由上表元素分析表內(nèi)數(shù)據(jù)可知，試樣1、試樣2化學(xué)元素均符合要求。

3.4 金相及微觀組織分析

對爐左數(shù)第44根水冷壁管焊縫原始泄漏點處取2個試樣進(jìn)行金相檢驗，編為1號、2號；對該泄漏點同一焊縫180°方向處取1個試樣進(jìn)行金相檢驗，編為3號；對該泄漏點上方180 mm母材取1個試樣進(jìn)行金相檢驗，編為4號。對泄漏點同標(biāo)高的爐左數(shù)第43根水冷壁管焊縫取1個試樣進(jìn)行金相檢驗，編為5號；對爐左數(shù)第43根水冷壁該焊縫上方180 mm母材取1個試樣進(jìn)行金相檢驗，編為6號，并參照《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》對珠光體進(jìn)行球化評級。管段及焊縫金相及微觀組織如下：

(1) 1號試樣焊縫內(nèi)壁存在裂紋，深度1.14 mm；焊縫組織存在密集氣孔，其中最大氣孔直徑0.43 mm。

(2) 2號試樣焊縫組織內(nèi)壁存在裂紋，深度0.90 mm；焊縫存在密集氣孔，最大氣孔直徑0.35 mm；焊縫組織存在晶間裂紋，長度0.62 mm。

(3) 3號試樣焊縫組織存在氣孔，其中最大氣孔直徑0.31 mm；焊縫組織存在多處晶間裂紋，其中最大長度0.35 mm。

(4) 4號試樣金相組織為鐵素體+珠光體(球化3級)。

(5) 5號試樣焊縫金相組織為貝氏體。

(6) 6號試樣母材金相組織為鐵素體+珠光體(球化2級)。

通過上述顯微觀察可知爐左數(shù)第44根水冷壁管焊縫原始泄漏點處組織存在內(nèi)壁裂紋、氣孔、晶間裂紋缺陷，該泄漏點上方180 mm母材金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化2級。泄漏點同標(biāo)高的爐左數(shù)第43根水冷壁管焊縫組織為貝氏體，該焊縫上方180 mm母材金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化2級。

3.5 室溫拉伸試驗

分別對爐左數(shù)44根水冷壁管焊縫原始泄漏點上方100 mm母材和泄漏點同標(biāo)高的爐左數(shù)第43根水冷壁管焊縫上方100 mm母材進(jìn)行拉伸取樣，并進(jìn)行室溫拉伸試驗，編號1號樣、2號樣。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試樣力學(xué)性能實驗數(shù)據(jù)

由表2可知，1號試樣及2號試樣力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 焊接缺陷形成原因

(1) 金屬材料易產(chǎn)生焊接氣孔和焊接過程氫氣溶解于金屬材料中有關(guān)，金屬焊接表面所致氫氣孔可分為內(nèi)部、表面、接頭幾種氣孔[7]。產(chǎn)生上述氣孔的原因：在焊接工程中未認(rèn)真進(jìn)行坡口清潔，導(dǎo)致焊接坡口位置存在一定的水分、油污，高溫焊接條件下水分蒸發(fā)、油污散發(fā)，此時水分蒸發(fā)易造成焊接氣孔、形成焊接夾渣；金屬溶解速度緩慢、冷卻速度變快，焊接氣孔無法順利排除且會形成較多氣孔[8]。此外，如果焊接人員沒有采用合適的焊接標(biāo)準(zhǔn)來直接處理焊條，則會使得焊接氣孔的問題進(jìn)一步加劇。

(2) 母金屬材料沒有完全熔掉期間，金屬材料沒有完全被焊進(jìn)接頭根部，即為未熔合[9]。未熔合是一種區(qū)域缺陷，主要受工藝因素和坡口表面狀態(tài)的影響。凹槽的未熔合和根部的未熔合將減小截面面積，其承載力和應(yīng)力集中僅次于裂縫。由于膜式水冷壁兩根單管之間的間隙很小，阻礙了焊接操作，容易在引弧和電弧CL中產(chǎn)生未熔合缺陷[10]。

(3) 水冷壁鋼管間的鰭片焊縫因作業(yè)人員不重視易發(fā)生焊縫彎曲不平直、局部堆積過多、咬邊現(xiàn)象嚴(yán)重問題，必然會在鋼管對接環(huán)焊縫與鰭片縱焊縫交匯部位形成較大的應(yīng)力集中，也會造成對接環(huán)焊縫內(nèi)結(jié)晶裂紋由于應(yīng)力集中的作用而擴展延伸。

(4) 焊縫焊接質(zhì)量差。焊縫內(nèi)壁成型較差，造成局部汽水循環(huán)不通順，爐水通過時，流速降低，于此處產(chǎn)生渦流，垢物在此處沉積。水冷壁內(nèi)表面附著的水垢、腐蝕產(chǎn)物等沉積物是造成局部鍋水pH值偏高、產(chǎn)生垢下腐蝕的必要條件[11-12]。

以上焊接缺陷均給鍋爐承壓管道更換后機組的安全穩(wěn)定運行帶來了嚴(yán)重隱患。

5 預(yù)防性措施

(1) 防止焊接氣孔的產(chǎn)生要注意在有效地選擇焊接電流和速度的基礎(chǔ)上嚴(yán)格執(zhí)行《火力發(fā)電行焊接技術(shù)規(guī)程》，采用有效的措施清理坡口的水分和其他不良物品，保證焊接質(zhì)量。

(2) 防止未焊透缺陷產(chǎn)生要選擇正確的坡口尺寸，及時清理干凈存在于坡口表面的油污，同時可在現(xiàn)場及時進(jìn)行圍擋設(shè)立施工清潔區(qū)。

(3) 由于承壓部件更換工作特殊性，目前該工作基本委托外委單位完成，應(yīng)根據(jù)檢修實際工期確定合理工作量，不盲目搶工期，保證作業(yè)人員有良好的精神狀態(tài)及較充足的工作時間。

(4) 嚴(yán)格把控焊接工藝質(zhì)量，在管材確認(rèn)、通球試驗、管口封堵、坡口制備、焊縫焊接、無損檢測及后處理等全流程實現(xiàn)嚴(yán)格的工藝管控。

(5) 建議檢測單位與施工單位分離，對檢測結(jié)果進(jìn)行交叉檢查確認(rèn)，提高通過標(biāo)準(zhǔn)，防止遺漏。

(6) 機組啟動后對新焊縫位置進(jìn)行重點巡視檢查，爭取對缺陷的早發(fā)現(xiàn)早處理。

6 結(jié)論

通過對水冷壁泄漏管段剖面檢查、材質(zhì)分析、金相分析及拉伸試驗，總結(jié)某電廠機組檢修啟動后短時間內(nèi)即發(fā)生的水冷壁泄漏事件。根據(jù)上述分析，水冷壁管材質(zhì)、力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過泄漏點金相及微觀組織、鰭片焊接質(zhì)量及焊口內(nèi)部成型分析，得出了是由于焊接質(zhì)量不良，焊縫存在未焊透及較大或條狀氣孔等缺陷，形成應(yīng)力集中區(qū)域，在機組啟動后水冷壁管受力膨脹過程中擴展貫穿，引發(fā)水冷壁泄漏。