9FA燃機余熱鍋爐高壓過熱器的技術改造與監(jiān)督

斯寶祥，陳石凌，馬春江，郭可偉

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

隨著火力發(fā)電技術的不斷提高和節(jié)能環(huán)保要求的提出，單機容量為390MW的F級重型燃機已在我國得到廣泛的推廣應用。半山發(fā)電廠從美國GE公司引進3套S109FA燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，其中1號機組于2005年8月1日正式投入商業(yè)運行，2006年6月26日，機組余熱鍋爐1號模塊高壓過熱器高溫段發(fā)生首次泄漏。隨后在不到2年的時間內(nèi)，3臺余熱鍋爐相繼發(fā)生類似泄漏達11次，嚴重影響機組的安全性和調(diào)峰能力。因此，在分析爐管泄漏原因和現(xiàn)場實測的基礎上，采取了相應的技術改造和日常維護監(jiān)督措施，并取得明顯效果。

1 高壓過熱器概況

與9FA燃機配套的NG－S109FA－R型余熱鍋爐引進美國N/E技術在國內(nèi)制造，其形式為再熱、無補燃、自然循環(huán)、單排框架結(jié)構、全懸吊三壓余熱鍋爐，傳熱元件采用高開齒螺旋鰭片管，模塊化結(jié)構。余熱鍋爐高壓蒸汽最大連續(xù)蒸發(fā)量為282.7 t/h；額定蒸汽出口壓力為9.72 MPa；額定蒸汽出口溫度為566.6℃。

高壓過熱器分為高溫段（以下簡稱高過2）和低溫段（以下簡稱高過1），分別布置在1號和2號模塊中，模塊間布置噴水減溫器。其中高過2橫向共計105排，縱向2排，全部為螺旋鰭片管。材質(zhì)采用T91，規(guī)格為Φ50.8mm×4.19mm。鰭片管與高過2中間集箱采用拉拔管對接焊接結(jié)構。集箱材質(zhì)為P91，規(guī)格為Φ219.1mm×20.62mm。

高壓過熱器蒸汽流程為全回流式。來自高壓汽包的飽和蒸汽通過連通管進入高過1進口集箱，依次流經(jīng)4排鰭片管后進入高過1出口集箱，再由連通管引入噴水減溫器，根據(jù)高壓主蒸汽集箱出口溫度進行噴水減溫調(diào)節(jié)后進入高過2進口集箱，再依次流經(jīng)2排鰭片管進入高過2出口集箱，由連通管引至高壓主蒸汽集箱。

2 爐管運行中的失效

1號機組于2005年8月1日正式移交生產(chǎn)，投入商業(yè)運行。2006年6月26日，1號余熱鍋爐左側(cè)1號模塊高過2第二排（沿煙氣流向）鰭片管與集箱拉拔管對接焊縫熱影響區(qū)附近發(fā)生首次裂紋泄漏，到2008年5月，共發(fā)生類似泄漏11次，發(fā)生裂紋的管子有18根（次），主要發(fā)生在左側(cè)1號模塊高過2從左至右第1—18根，其中以第8—12根居多。

由于高過2發(fā)生多次裂紋泄漏事故，嚴重影響了機組的安全運行和調(diào)峰能力，因此對事故管進行解剖試驗，并根據(jù)鍋爐結(jié)構、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)分析，得出試驗分析結(jié)果和故障原因。

2.1 試驗結(jié)果

（1）所有爐管失效的裂紋均發(fā)生在高過2鰭片管與集箱拉拔管對接焊縫且靠近鰭片管熔合線附近的水平區(qū)域，說明與焊接或焊后熱處理有關。

（2）在掃描電鏡下觀察，斷口內(nèi)、外壁均存在多條微裂紋。裂紋的邊緣附近金屬結(jié)構疏松，呈“壘石”狀，部分金屬已經(jīng)脫落。斷口未見明顯的塑性變形，屬于脆性開裂，如圖1和圖2所示。

圖1 內(nèi)壁邊緣裂紋

圖2 外壁邊緣裂紋

（3）顯微分析觀察，管子內(nèi)壁和裂紋開口內(nèi)部存在均勻的氧化層，并有多處內(nèi)表面裂紋穿透氧化層向管壁外部方向擴展，表明裂紋形成已有較長時間。這些微小的裂紋成為管子失效的裂紋源，在運行中伴隨著交變熱應力的不斷作用，逐步向縱深發(fā)展，最終導致泄漏。圖3和圖4為失效管內(nèi)壁裂紋和氧化層宏觀鏡像。

圖3 內(nèi)壁微型紋形貌

圖4 外壁微型紋形貌

（4）焊縫附近管壁內(nèi)、外金相組織不均勻，靠近焊縫熔合線外壁局部區(qū)域晶粒異常粗大，與內(nèi)壁和其他部位的細晶粒尺寸明顯不同。從圖5和圖6比較可以看出，在相同的倍率條件下晶粒尺寸相差很大，但金相組織均為回火馬氏體組織。實測粗晶區(qū)和細晶區(qū)顯微硬度值無明顯變化。

圖5 泄漏管內(nèi)壁金相組織 1000×

2.2 原因分析

圖6 泄漏管外壁金相組織 1000×

（1）機組投入運行后一直處于調(diào)峰運行狀態(tài)，頻繁和快速的啟停是誘發(fā)裂紋發(fā)展的重要因素。1號余熱鍋爐高過2首次泄漏時累計運行2560 h，啟停176次，其中2006年6月啟停最為頻繁，高達26次，金屬材料受到嚴重的疲勞損傷。

（2）高過2的結(jié)構設計不合理。1號模塊高過2第二排管子與集箱聯(lián)接時，設計只考慮了管子與集箱拉拔口形成單個90°彎管。燃機啟動速度快，燃氣輪機在全速空載狀態(tài)下的排氣流量很大，煙氣溫度上升速度很快。對于高過2集箱和管束而言，在同一時間段內(nèi)，由于集箱壁厚較大溫度上升慢，膨脹速度也相對較慢，而對于薄壁的鰭片管，溫度上升快膨脹速率就較大，因而形成附加熱應力。經(jīng)現(xiàn)場實測，機組在正常運行時，集箱向下膨脹量達到100～120mm。由于啟動時鰭片管受到集箱的牽制而無法快速向下自由膨脹，單個90°彎管的設計也不能很好地吸收或緩沖快速向下膨脹的應力，因而管束水平位置存在較大的拉應力和剪應力。因此，在前期發(fā)現(xiàn)失效的管子中，裂紋都發(fā)生于焊縫附近的水平位置，如圖7所示。

圖7 高過2原設計結(jié)構

（3）焊后熱處理對焊接質(zhì)量至關重要。從圖5和圖6金相組織對比中可以看出，焊縫附近外壁局部區(qū)域粗大金相組織與T91原始要求的細晶粒強韌型鋼組織不相符，屬于異常組織。造成局部晶粒粗大的原因，可能是在制造過程中產(chǎn)生焊接缺陷，再經(jīng)過局部返修和二次熱處理，致使局部區(qū)域晶粒長大。粗大的晶粒對鋼管的力學性能必定產(chǎn)生影響。

（4）制造廠家分析認為，余熱鍋爐長期處于低負荷運行，即燃機在40%～70%負荷下，排氣溫度達到最大，為防止管子超溫，余熱鍋爐高壓減溫水流量超出設計值運行，使減溫器噴水霧化效果不好，蒸汽帶水進入管子引起熱疲勞應力增加。

3 結(jié)構改造方案與效果

鑒于上述原因，決定對余熱鍋爐高過2進行局部改造。初次改造時為提高管子抗向下膨脹的力度，在集箱引出管拉拔口下方焊接三角鐵，但結(jié)果適得其反，裂紋改變方向，在管子下方三角鐵端部焊縫附近開裂，甚至發(fā)生整個對接焊口斷裂事故。

研究分析燃機運行的特點后，改變設計思路，主要以阻尼吸收管子的熱膨脹應力為出發(fā)點，盡量降低集箱引出管焊口附近的應力，使其達到最小。通過應力計算，采用在鰭片管與集箱之間串接S形彎管，以2個U形彎頭達到減小熱膨脹應力的目的。改造后結(jié)構如圖8所示。改造范圍確定為余熱鍋爐左側(cè)1號模塊高過2從左至右第1—18根爐管。

2008年6月，3臺余熱鍋爐高過2完成改造，運行至今未再發(fā)生類似的泄漏事故，說明改造取得了明顯的效果。

4 改造時應注意的問題

上述技術改造效果明顯，但改造時應注意以下問題：

（1）因為改造的目標是1號模塊高過2的第二排管子（沿煙氣方向），爐后方向已無空間，S彎管只能迎煙氣向前方穿越高過2第一排管，由于第一排管管束節(jié)距只有100.2mm，直徑Φ50.8mm的管子很難穿越，因此在保證蒸汽流量的前提下應相對縮小管徑，使管子穿越時有一定的預留間隙，避免運行中交叉管之間發(fā)生相對摩擦。本次改造采用的管材規(guī)格為Φ42mm×5mm。

圖8 串接S型彎管的改造結(jié)構

（2）上部與鰭片管對接時，應以Φ（42～51）mm×5mm大小頭接頭過渡。與集箱聯(lián)接時，建議采用加強型短管管座，以提高抗疲勞能力，在保證管座改造質(zhì)量的前提下，即使再次發(fā)生疲勞裂紋也不至于危及集箱的安全運行。

（3）剝離螺旋鰭片時不能采用火焰切割，用機械方法時應注意不損傷管子表面。鰭片剝離后應進行表面修整和宏觀檢查，必要時滲透探傷。

（4）注意現(xiàn)場檢修裝配工藝和順序，必須按照工藝要求實施裝配、焊接及焊后熱處理。焊口質(zhì)量必須經(jīng)射線探傷檢驗合格。

5 改造后的監(jiān)督工作

改造后需加強日常運行中的監(jiān)督，建議前期應每2～3個月做1次宏觀檢查或滲透探傷，幾次檢查未發(fā)現(xiàn)異常后，可延長為半年檢查1次。重點檢查以下部位：

（1）集箱引出管角焊縫和第一只對接焊口附近表面。同時可擴大到鄰近第19—22根集箱引出管附近范圍。發(fā)現(xiàn)有疑問時，先仔細清除疑問部位痕跡，下次復檢時仔細觀察是否繼續(xù)產(chǎn)生疑問痕跡。

（2）U形彎管部分。此處是彎管減應區(qū)，承受熱應力時上下變化幅度相對較大，最容易產(chǎn)生疲勞裂紋，尤其是內(nèi)、外弧側(cè)。

（3）彎管和垂直管交叉部位。由于穿管后留有空間很小，改造時稍不注意就會造成管子相碰，運行中在較大的膨脹幅度下容易造成管子上下摩擦造成損傷。

（4）建議較長時間停機時，對高過2第二排（沿煙氣方向）全部105根集箱引出管安排1次滲透探傷檢查，必要時對該結(jié)構全部管子進行上述技術改造。

[1]朱晨曦，黃萬立，斯寶祥.S109FA燃機余熱鍋爐管束泄漏原因分析及改進[J].華電技術，2009（3）∶21-26.