黃斌鑫

（新疆圣雄能源股份有限公司，新疆 吐魯番 838000）

0 引言

在熱電廠中，鍋爐水冷壁管、熱交換器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等都是重要的機(jī)組設(shè)備，電廠不間斷供電主要依賴(lài)于其設(shè)備和部件的持續(xù)正常運(yùn)行，如果單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，整個(gè)供電系統(tǒng)將會(huì)受到嚴(yán)重的影響。其中，鍋爐水冷壁管內(nèi)部暴露于流動(dòng)蒸汽的高壓和高溫下，外部暴露于燃燒產(chǎn)物的高溫下，是鍋爐管、蒸汽過(guò)熱器元件和化工廠轉(zhuǎn)化管等熱交換系統(tǒng)的關(guān)鍵部件；并且鍋爐水冷壁管主要用于吸收爐膛內(nèi)火焰和高溫氣體流動(dòng)產(chǎn)生的輻射熱量，具有冷卻和保護(hù)爐壁的作用[1-3]。近年來(lái)，在我國(guó)發(fā)生了諸多熱電廠非計(jì)劃停機(jī)事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，并且對(duì)電廠整體運(yùn)行環(huán)境也造成了嚴(yán)重的破壞。經(jīng)過(guò)調(diào)查分析，鍋爐水冷壁管泄漏、爆管等原因造成失效是導(dǎo)致事故的主要原因之一。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)鍋爐水冷壁管失效的原因進(jìn)行了研究，Ghosh[4]等人研究發(fā)現(xiàn)由于鍋爐水冷壁存在焊縫缺陷，水冷壁內(nèi)流體的不穩(wěn)定流動(dòng)引起的振動(dòng)載荷，錘擊管壁導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起水冷壁管道失效。Assefinejad[5]等人對(duì)失效的水冷壁管進(jìn)行了外觀檢查、尺寸測(cè)量、化學(xué)分析、硬度評(píng)定、金相及力學(xué)性能測(cè)試等綜合分析，從各種試驗(yàn)結(jié)果可以看出,由于鍍膜水冷壁管長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，氧化層厚度較高，沉積物腐蝕是其失效的根本原因。田曉[6]等人研究發(fā)現(xiàn)注氣鍋爐的水冷壁管道的內(nèi)壁存在原始制造缺陷，在鍋爐高溫汽水運(yùn)行工況下，管道向火面的缺陷處逐漸發(fā)生腐蝕溶解，導(dǎo)致壁厚不斷減薄，最終致使管道因剩余壁厚的強(qiáng)度不足而發(fā)生泄漏；宋洋[7]等人研究發(fā)現(xiàn)煤燃料中的硫、氯元素以及硫酸鹽是管道外壁腐蝕的主要因素；徐衛(wèi)仙[8]等人通過(guò)分析得到造成水冷壁管爆管的直接原因?yàn)闋t管沉積物下介質(zhì)濃縮發(fā)生氫腐蝕。

為了減少鍋爐水冷壁管泄漏、爆管等事故造成的嚴(yán)重后果，對(duì)其實(shí)施科學(xué)合理、實(shí)時(shí)有效的安全監(jiān)測(cè)是熱電廠安全運(yùn)營(yíng)管理工作的重要內(nèi)容，為熱電廠運(yùn)行事故的預(yù)防處理和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)，有效地減少熱電廠運(yùn)行事故給人民生命財(cái)產(chǎn)和生產(chǎn)生活帶來(lái)的損失。

因此，本文基于某熱電廠鍋爐水冷壁管泄漏事故進(jìn)行失效原因探究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和綜合管理，更好地掌握熱電廠的健康現(xiàn)狀，為熱電廠運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)早期識(shí)別和預(yù)報(bào)預(yù)警提供重要的依據(jù)，對(duì)提熱電廠安全運(yùn)行、實(shí)施監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化工程等都有重要的意義。

1 水冷壁管失效事故概況

熱電廠位于新疆維吾爾自治區(qū)某工業(yè)園內(nèi)，設(shè)計(jì)總規(guī)模為2400MW（4×300MW＋4×300MW），熱電廠年利用小時(shí)數(shù)為6000h，2012年投產(chǎn)使用。鍋爐采用我國(guó)自主研發(fā)的單爐膛300MW全鋼構(gòu)架的循環(huán)流化床鍋爐。2020年04月18日運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1#鍋爐爐膛負(fù)壓突增至+1200Pa，立即調(diào)整爐膛負(fù)壓，降低機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力，隨后將汽輪機(jī)手動(dòng)打閘，發(fā)電機(jī)解列，鍋爐手動(dòng)BT。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐標(biāo)高25m處，鍋爐左側(cè)前墻水冷壁過(guò)熱器吊屏1和過(guò)熱器吊屏2之間第66根管道泄漏。

2 水冷壁管檢驗(yàn)測(cè)試

2.1 宏觀檢驗(yàn)

鍋爐停運(yùn)后對(duì)泄漏的第66根水冷壁管道進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)，水冷壁管的整體外表面均呈現(xiàn)腐蝕、點(diǎn)蝕和蠕變的特征，局部還存在有凹坑，距離圓形爆口37.0mm處存在橢圓形補(bǔ)焊點(diǎn)；管道內(nèi)壁存在嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，最大垢層厚度為1.0mm。第66根水冷壁管道存在兩處漏點(diǎn)，一處呈圓形爆口，直徑為40.0mm，如圖1（a）所示；另一處漏點(diǎn)處于爆口位置下方300.0mm處，呈縱向爆口，長(zhǎng)度為50.0mm，寬為3.0mm，如圖1（b）所示。

圖1 水冷壁管道宏觀檢驗(yàn)

2.2 壁厚檢測(cè)

由圖1可以看出，第66根水冷壁管道的漏點(diǎn)均發(fā)生在向火面，利用游標(biāo)卡尺對(duì)水冷壁管道進(jìn)行壁厚檢測(cè)，爆口邊緣最小壁厚為2.2mm，背火面的壁厚為5.0mm；并且對(duì)爆管位置周?chē)?0根水冷壁管道進(jìn)行測(cè)厚檢查，除明顯因爆管、泄漏原因造成的吹損位置，其余位置測(cè)厚數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求的最小 壁厚。

2.3 化學(xué)成分分析

該熱電廠鍋爐水冷壁管采用20G鋼，水冷壁管材料的化學(xué)成分是保證其力學(xué)性能和安全使用的前提，因此對(duì)第66根水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析。分別在距離圓形爆口30.0mm處和距離縱向爆口右側(cè)30.0mm處取樣，并對(duì)后期新更換的水冷壁管也取樣，采用FOUNDERY-MASTERPRO全譜直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，2個(gè)檢測(cè)試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》規(guī)范中對(duì)20G鋼的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 水冷壁管化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

2.4 力學(xué)性能測(cè)試

從第66根水冷壁管材中提取試樣和機(jī)械加工試樣，采用微機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（UTM5305）和布氏硬度計(jì)（TXHB-3000T）對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中水冷壁管力學(xué)性能分析結(jié)果，參照GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》規(guī)范中對(duì)20G鋼的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求。第66根水冷壁管的縱向爆口處試樣的硬度和強(qiáng)度未發(fā)現(xiàn)明顯異常；但圓形爆口處試樣的硬度和抗拉強(qiáng)度均不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 要求。

表2 水冷壁管力學(xué)性能分析結(jié)果

3 失效原因分析與討論

通過(guò)對(duì)第66根水冷壁管道的宏觀檢驗(yàn)、壁厚檢測(cè)、化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，失效的水冷壁管道出現(xiàn)圓形爆口和縱向爆口，并且在圓形爆口處的硬度和抗拉強(qiáng)度不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且距離該處37mm處有明顯的補(bǔ)焊點(diǎn)；其余的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過(guò)核查熱電廠運(yùn)行維修記錄發(fā)現(xiàn)，在2018年6月曾對(duì)第66根水冷壁管道進(jìn)行補(bǔ)焊維修，從爆口位置檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有焊接燒穿現(xiàn)象，存在焊接缺陷。

分析認(rèn)為是由于焊接環(huán)節(jié)存在錯(cuò)誤而形成的燒穿缺陷破壞了焊接部位的均勻連續(xù)性，焊接處管壁長(zhǎng)時(shí)間處于高溫的狀態(tài)下，各部位受熱不均勻而形成過(guò)大的熱應(yīng)力；通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)圓形爆口附近部位硬度高、脆性大的特點(diǎn)，當(dāng)熱應(yīng)力作用于該區(qū)域時(shí)，無(wú)法通過(guò)有效的塑性變形釋放應(yīng)力，造成該區(qū)域應(yīng)力集中程度加?。辉谶\(yùn)行過(guò)程中管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力和附加應(yīng)力集中導(dǎo)致焊接缺陷擴(kuò)大和產(chǎn)生局部裂紋，水冷壁泄漏吹損減薄，進(jìn)一步形成爆口，致使水冷壁失效。

4 結(jié)語(yǔ)

鍋爐水冷壁管是熱電廠重要的機(jī)組設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)鍋爐管、蒸汽過(guò)熱器元件和化工廠轉(zhuǎn)化管等熱交換系統(tǒng)的熱量傳遞，需要長(zhǎng)時(shí)間在高溫的環(huán)境中運(yùn)行。因此，鍋爐水冷壁極容易由于材料缺陷、熱疲勞、氧化、腐蝕、蠕變和焊接等原因，導(dǎo)致出現(xiàn)泄漏和爆管等各種故障，影響整個(gè)供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了減少鍋爐水冷壁管失效造成的嚴(yán)重后果，對(duì)其實(shí)施科學(xué)合理、實(shí)時(shí)有效的安全監(jiān)測(cè)是熱電廠安全運(yùn)營(yíng)管理工作的重要內(nèi)容。

本文基于某熱電廠鍋爐水冷壁管泄漏事故進(jìn)行失效原因探究，發(fā)現(xiàn)水冷壁管道焊接質(zhì)量是影響水冷壁管道使用壽命的主要原因之一，焊接缺陷如咬邊、氣孔、未熔合、燒穿和裂紋等都是降低焊接質(zhì)量的直接原因。因此，通過(guò)完善焊接工藝，合理選擇焊接材料，構(gòu)建良好的焊接環(huán)境，選擇X射線(xiàn)、超聲波等技術(shù)對(duì)管道裂紋進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，提高水冷壁管道的焊接質(zhì)量，保證熱電廠的正常運(yùn)行。