陳鳳斌

（貞豐縣電力投資有限公司）

0 引言

鍋爐是火電廠最重要的三大設備之一，鍋爐出現(xiàn)故障會影響機組安全運行，影響電網穩(wěn)定，增加檢修工作量及維修費用，頻繁的啟停和負荷大幅度變化會縮減機組使用壽命，造成巨大的經濟損失。

某電廠鍋爐采用哈爾濱鍋爐有限責任公司設計的HG-1117/25. 4/571/ 569-WM3 型鍋爐，為超臨界、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構架、露天布置的“W”火焰型鍋爐，自完成168h 試運行后投入生產共約3 萬h，該電廠為孤網運行機組，發(fā)電機組參與電網深度調峰調頻，機組負荷長期隨電網大幅度波動。該鍋爐的屏式過熱器布置在爐膛頂部，每組18 根U 形管，頂棚下方材質為SA-213TP347H、上方材質為SA-213T91，設計壓力＜28. 6 MPa，設計溫度546℃。當鍋爐運行時，管子外壁直接被高溫煙氣覆蓋，既吸收爐膛直接輻射熱，又吸收高溫煙氣對流熱，工作條件十分惡劣。管子的冷卻依靠內部蒸汽，當內部沒有蒸汽流動或者流動蒸汽量不足以使管子充分冷卻時，會導致管子超溫，進而出現(xiàn)氧化、變形、泄漏、爆管等情況，給機組安全運行帶來嚴重安全隱患[1]。

1 事件描述

某電廠鍋爐自168h 后投運至今約3 萬h，爐頂屏式過熱器集箱散管在兩個月內發(fā)生兩次爆管，導致鍋爐停止運行。爆管發(fā)生時，鍋爐突然運行異常，出力驟降，給水量急劇上升，給水量與主蒸汽流量差過大，且爐頂有大量蒸汽冒出。停機冷卻后對爐頂管道進行排查，發(fā)現(xiàn)屏式過熱器集箱散管發(fā)生爆管。第一次爆管的集箱散管為爐頂大包內從右往左第11排，第二次爆管的集箱散管為爐頂大包內從右往左第4 排，均為頂棚上SA-213T91 與SA-213TP347H 異種鋼對接焊縫的SA-213T91 鋼側，爆管位置如圖1所示。爆管位置離焊縫有100mm 左右，焊縫外觀良好，管內焊縫成形良好，管口均勻，無錯邊現(xiàn)象，基本可以排除是由焊接施工質量問題導致的爆管。從圖1 中可以看出，第一次爆管散管爆口呈喇叭形，第二次爆管散管爆口出現(xiàn)明顯鼓包，爆口邊緣出現(xiàn)較多樹皮狀褶皺，兩次爆管位置均出現(xiàn)蠕脹現(xiàn)象。

圖1 爆管位置及宏觀形貌

2 原因分析

爆管事件發(fā)生后，為查明爆管原因，從鍋爐運行情況、受外力情況、爆管管子外觀、硬度、金相組織等方面進行排查分析。

通過調取第一次爆管前24h 屏式過熱器集箱散管的監(jiān)控溫度曲線可知，此次運行期間最高溫度未超溫，最大升溫速率為1.33℃/min，趨勢穩(wěn)定，無鋸齒狀升降溫曲線?？梢耘懦捎诙唐跓釕?、交變應力及超溫運行造成的爆管。調取第二次爆管前24h屏式過熱器集箱散管的溫度變化曲線圖可知，也未出現(xiàn)短期超溫現(xiàn)象，但溫度波動劇烈，最大升降溫速率為6.5℃/min，溫升溫降速率遠超金屬承受范圍。該機組在投入生產運行的5 年中，長期參與調頻調峰，啟停次數(shù)較多，鍋爐受熱面經常急劇升降溫并時有發(fā)生超溫情況。兩次爆管位置均為SA-213T91與SA-213TP347H 異種鋼對接處，在20～600 ℃范圍內SA-213TP347H、SA-213T91 線膨脹系數(shù)分別為18.5×10-6/℃和12.6×10-6/℃，兩種鋼材的線膨脹系數(shù)相差較大，在長期熱應力、交變應力作用下，金屬容易發(fā)生熱疲勞脆化，特別是異種鋼對接處，因兩種鋼材受熱膨脹量不一致，在循環(huán)熱作用下工作時，易產生熱應力或熱疲勞。

如圖2 所示，從爆管的宏觀形貌可見，管壁斷面整齊，存在撕裂棱、剪切蠢等宏觀特種，為脆性斷裂，外壁氧化皮呈樹皮狀褶皺狀，管子有明顯的脹粗現(xiàn)狀。兩次爆管的散管外觀呈黑褐色，外觀與旁邊管子顏色明顯不一致，應為超溫導致金屬過熱氧化發(fā)黑，爆管內壁產生大量氧化皮并脫落，切除爆管的U形管下部，排出大量黑色氧化皮，且散管內壁氧化物明顯出現(xiàn)過熱燒蝕現(xiàn)象。作為對比，切除兩根未爆管的U 形管，僅排出少量黃色氧化皮。進一步對散管進行壁厚測量發(fā)現(xiàn)，散管厚度為7.1～8.0mm，表明散管存在不同程度的氧化，氧化皮脫落后壁厚減薄[2-10]。

圖2 散管內壁氧化

在機組長時間的運行過程中，管子內壁形成氧化皮，氧化皮的熱阻較大，傳熱效果差，影響內部蒸汽與管壁金屬的熱量交換，導致管壁溫度進一步升高，而溫度升高又加速了其氧化過程，形成惡性循環(huán)，氧化皮越來越厚，管壁厚度越來越薄。由于氧化皮的熱膨脹系數(shù)與管子母材金屬不同，機組頻繁啟?；蛘邌⑼Ｋ俣冗^快，溫度急劇變化，管子內的氧化皮大量脫落，掉入U 形管導致堵管，管道內部介質通流截面減小，蒸汽流量不足，管壁吸收的熱量不能及時被帶走，管子溫度快速上升超過設計許用溫度，長期如此導致力學性能嚴重下降，在高溫且內部蒸汽壓力的作用下，管子脹粗變形，最終導致爆管[11-14]。

依據(jù)DL/T884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術導則》對兩次爆管和硬度低于160HB 的共6 根管子進行金相檢測，將試樣研磨和拋光后用4%硝酸酒精浸蝕，使用AFISS A1m 蔡司金相顯微鏡500 倍進行觀察拍照，發(fā)現(xiàn)組織老化均達5 級，組織中存在大量鐵素體、碳化物、沿晶裂紋和孔洞等缺陷。SA-213T91 材料在正常狀態(tài)下的顯微組織應為回火馬氏體，機組運行過程中存在長期過熱現(xiàn)象，經常性超溫，回火馬氏體逐漸消失，碳化物聚集長大，最終分解成塊狀鐵素體和沿晶界分布的粗大碳化物，管子的力學性能顯著降低，如圖3 所示。

圖3 SA-213T91 金相組織

DL/T438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定SA-213T91 材料的硬度范圍為180～250 HB。爆管發(fā)生后，對爆口散管進行布氏硬度檢測，共檢測458 根散管，發(fā)現(xiàn)有396 根硬度低于180HB，占比高達86. 5%，說明金屬普遍存在不同程度的老化現(xiàn)象，金屬的力學性嚴重下降。選取硬度值低于160HB 的6 根管子送實驗室進行硬度校核，將管子加工后拋磨，去除表面凹凸面和油膜，形成平面，再對打磨平面進行金屬洛氏硬度試驗并換算為布氏硬度，結果顯示第一次爆管散管硬度為144HB，第二次爆管散管硬度為156HB。下表為實驗室硬度復測數(shù)據(jù)，其中4-2、11-2 分別為兩次爆管散管的硬度測試結果。

表 部分T91 管段硬度數(shù)據(jù)

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，該鍋爐爆管原因主要有：①機組在多年的運行過程中負荷長期大幅波動造成的交變應力，使散管金屬產生熱疲勞，組織鐵素體化并出現(xiàn)沿晶裂紋和孔洞等缺陷，老化情況嚴重，金屬脆化，力學性能明顯下降。②機組頻繁啟停且升溫降溫速度較快，導致氧化皮脫落，在散管內部造成堵塞截流，致使局部超溫，引發(fā)爆管。

3 修復措施

采用換管焊接對爆管的散管進行修復，焊接環(huán)境應符合DL/T869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》要求。根據(jù)換管位置及換管長度，采用規(guī)格為Ф38×8、材質為SA-213T91 的散管制備替換管子，管材應留有加工余量，便于現(xiàn)場修配。焊工應具備GTAW-III-6G-8/38 -02/10/12 資質。

返工方案：①使用機械切割方法在離爆管位置上下方各250mm 的位置將散管切斷，先對下方進行切割，切管后使用水溶紙封堵管子下部，避免切屑廢料進入管道，再切割爆管位置上方；②使用坡口機在原管和備管上制備35°坡口，鈍邊1mm，裝配焊口時對口應留2～4mm 間隙。③使用拋光輪對焊縫兩側20mm 范圍進行拋光，將內、外壁的油漆、污垢、鐵銹等清理干凈，直至露出金屬光澤；④使用對口鉗進行對口，對口間隙為2～4mm，嚴禁錯邊、折口。⑤焊前預熱溫度為200～250℃，層間溫度為200～300℃，使用鎢極氬弧焊焊接，采用Ф2.4mm 的ER90S-B9 焊絲，焊接道數(shù)為3，焊接電流為90～105A，焊接電壓為10～12V，第一道焊縫的焊接速度為55～65cm/min，填充和蓋面焊縫的焊接速度為50～60cm/min，保護氣體為純度為99.99%的氬氣，流量為9～10L/min； ⑥焊接完成立即對焊口進行熱處理，采用柔性陶瓷加熱片進行加熱，恒溫溫度760±10 ℃，恒溫時間1h，升溫、降溫速度均≤150℃/h，加熱寬度160mm，保溫層寬度240mm；⑦熱處理完成24h 后采用X 光機對焊縫進行射線探傷并對焊縫及母材硬度進行檢測。

4 結束語

該電廠發(fā)電機組參與電網調峰調頻，機組負荷長期隨電網大幅度波動，負荷波動造成超溫運行，溫度變化劇烈，使管材金屬產生熱疲勞，組織鐵素體化并出現(xiàn)沿晶裂紋和孔洞等缺陷，老化情況嚴重，金屬脆化，力學性能明顯下降；溫度劇烈升降，導致氧化皮脫落，在U 形管內部造成堵塞截流，致使局部超溫，引發(fā)爆管。

針對以上結論，提出以下幾點建議以供參考：①針對該電廠發(fā)電機組現(xiàn)狀，建議退出機網協(xié)調自動，保證機組平穩(wěn)運行。盡可能減少機組啟停次數(shù)，在啟停及運行過程中，嚴格遵循鍋爐廠家的升溫升壓曲線及升降負荷速率控制，盡量維持機組運行時負荷穩(wěn)定，減少由于溫度突變造成的氧化皮大量脫落[8]。②建議在機組等級檢修中，重點對屏式過熱器U 形部位采用內窺鏡、射線檢測等方式進行檢測，排查氧化皮量，并制定相應的氧化皮清理措施。③制定預防金屬超溫氧化方案，嚴格按照規(guī)范要求做好鍋爐系統(tǒng)金屬保養(yǎng)工作[9]。④對另一臺鍋爐同部位管道進行檢查，及時排除安全隱患。⑤加強水質管理。