中國特種設(shè)備檢測研究院鍋爐事業(yè)部 徐光明 劉杰 潘晴川 車暢

廣東紅海灣發(fā)電有限公司 蔡永江

一起MHI造Π型超臨界爐水冷壁爆管原因分析

中國特種設(shè)備檢測研究院鍋爐事業(yè)部 徐光明 劉杰 潘晴川 車暢

廣東紅海灣發(fā)電有限公司 蔡永江

為使電站超臨界鍋爐能夠安全、經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，本文從裂紋位置、爐墻背撐結(jié)構(gòu)、零部件的損壞缺失等方面對爐墻變形、裂紋的產(chǎn)生進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其主要原因是：鍋爐背撐結(jié)構(gòu)不合理，水冷壁爐墻溫度急劇變化，鰭片補(bǔ)焊尺寸偏大，零部件損壞缺失等，并給出了相應(yīng)的處理建議。

超臨界鍋爐；水冷壁管；爆管；裂紋；變形

0 引言

超臨界火電機(jī)組具有顯著的節(jié)能和改善環(huán)境的效果，已在發(fā)達(dá)國家得到廣泛的研究和應(yīng)用。同時也是我國電力的主流方向和長期的戰(zhàn)略任務(wù)。而這其中對電站超臨界火電機(jī)組鍋爐安全高效運(yùn)行影響較多的，發(fā)生頻率較高的就是電站超臨界鍋爐的水冷壁管爆管事故。據(jù)國內(nèi)相關(guān)統(tǒng)計，爐內(nèi)四管（過熱器管、再熱器管、水冷壁管、省煤器管）失效事故占鍋爐事故的2/3左右，其中水冷壁爆管引發(fā)的事故占據(jù)較大比例。這不僅使設(shè)備檢修工作量和檢修費(fèi)用大大增加，而且嚴(yán)重影響了鍋爐機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，有時甚至使設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞并造成人員傷亡事故。因此,本文通過對某電廠三菱重工（英文縮寫MHI）造Π型超臨界爐水冷壁管爆管事故的分析，找出事故發(fā)生的原因，從中尋找鍋爐安全運(yùn)行的思路。

1 事故概況

某電廠1號超臨界鍋爐，型號MO-SSRR809，MHI制造，Π型，鍋爐參數(shù)：設(shè)計出口壓力25.9 MPa，設(shè)計出口溫度542℃，最大連續(xù)蒸發(fā)量1950 t/h，再熱蒸汽流量1541.2 t/h。該鍋爐于2000年3月16日投產(chǎn)，2011年10月13日發(fā)生爆管。通過對該超臨界爐解列，檢查確認(rèn)，爆管位置位于前墻上數(shù)（從上往下數(shù)）第三層背撐（FL48700）上方370mm 處左數(shù)240根（文中未說明的均為左數(shù)）水冷壁管右側(cè)鰭片焊縫邊緣，裂紋沿管子長度方向展開，長約430mm，如圖1所示。

圖1 前墻水冷壁爆管位置（上）及實物照片（下）

圖2 241管和242管間的鰭片于背撐4-5之間的裂紋形貌

2 事故檢查過程

2.1 裂紋及條痕

對爆管位置進(jìn)行爐外檢查，發(fā)現(xiàn)前墻水冷壁從爐頂下數(shù)（從下往上數(shù)）第3層背撐梁上方370mm處，左數(shù)240管右側(cè)鰭片邊緣存在裂紋，長約430mm，最大開度約2mm，其中開漏部分長約90mm。240管和241管之間鰭片為現(xiàn)場焊縫，裂紋靠近原工廠鰭片焊縫邊緣；241管靠近240管一側(cè)的泄漏位置稍有吹損。背撐4-5間241管和242管之間鰭片的現(xiàn)場焊縫存在長約1200mm的裂紋，從爐外看，裂紋呈鋸齒狀，如圖2所示。

圖3 240管內(nèi)兩道痕跡

圖4 240管向爐內(nèi)的變形尺寸

圖5 爐內(nèi)爐墻于背撐1-4間的變形形貌

圖6 235管處背撐4限位板螺絲脫落

240管和241管間的斷面上鰭片焊縫厚度約10mm，爐內(nèi)焊接量多，鰭片焊縫內(nèi)有裂紋和未熔合，長約4-5mm。再對兩根管子進(jìn)行內(nèi)壁檢查，發(fā)現(xiàn)240管有兩條痕跡，一條位于開裂位置，一條靠近變形的外弧面。同時對240管周邊背撐1-6層限位板與水冷壁的48塊焊縫做了熒光MT檢查，均未見異常，如圖3所示。

2.2 變形

240管和241管在上數(shù)背撐梁1-6間的變形量最為明顯，且為爐內(nèi)變形，如圖4、5所示。從爐外看，240管附近爐墻從背撐1-6之間變形，第2、3層背撐處向爐外變形，第3、4層背撐處向爐內(nèi)變形，第4、5層背撐處向爐外變形，整體呈內(nèi)-外-內(nèi)的“S”形，且240管和241管同周邊管變形有差異，明顯向爐內(nèi)變形。從爐內(nèi)看，沿240管從II級過熱器系統(tǒng)冷夾管導(dǎo)向管向爐頂看，爐墻變形呈明顯“S”形，且240管變形更為明顯。

2.3 零部件損壞

240管處背撐4左側(cè)背撐限位板螺絲脫落，右側(cè)背撐梁連接背撐限位板螺絲斷裂，限位板變形，且背撐向爐外變形，同時該處251-261管也向爐內(nèi)變形，如圖6、7所示。

3 事故原因分析

3.1 裂紋

2001年，該部位變形35mm；2004年，240管和241管間的鰭片從背撐6裂至爐頂，長約6200mm；2007年，239管和240管間鰭片從背撐4、5開裂，長約1200mm；2009年，241管和242管間鰭片從背撐3、4間開裂，長約1200mm。從此次裂紋的內(nèi)短外長，外側(cè)裂紋呈鋸齒狀，以及裂紋出現(xiàn)在爐外側(cè)的工廠鰭片與管子焊縫的熱影響區(qū)上判斷，本次裂紋為疲勞裂紋。圖8所示為Π型超臨界爐前墻金屬壁溫分布圖，從圖中可以看出，中間部位的金屬壁溫高，且鍋爐膨脹死點(diǎn)位于中心，負(fù)荷的波動以及溫度的變化，熱應(yīng)力與膨脹阻力的迭加作用，容易引起疲勞。加上管子變形，鰭片與管子焊縫邊緣受力最大，產(chǎn)生疲勞裂紋。鰭片開裂，管子變形，修理校正困難，從爐內(nèi)焊接量偏大，使鰭片厚度變大，加上工廠焊縫和現(xiàn)場焊縫的熱影響區(qū)迭加，可能導(dǎo)致該位置進(jìn)一步劣化，以及爐外焊縫偏少，焊角接近管子中心，應(yīng)力集中，裂紋從薄弱部位產(chǎn)生并延伸。裂紋在爐外產(chǎn)生并向管內(nèi)延伸，致使壁厚無法承受管內(nèi)壓力而最終爆管。

3.2 變形

1）鍋爐背撐結(jié)構(gòu)

對于鍋爐背撐結(jié)構(gòu)，原設(shè)計水平背撐間距為2200mm，后在兩個背撐中間又加一道水平背撐，雖然增加爐墻的剛性，但爐墻膨脹的阻力增大，加大了爐墻的變形。爆管處的背撐和立柱結(jié)構(gòu)圖與爐墻變形示意圖分別如圖9、10所示。

圖7 水冷壁前墻241管附近背撐4處管子變形尺寸

2）鍋爐垂直背撐鋼梁

前墻均布5根垂直背撐鋼梁，但在240管左側(cè)附近增加導(dǎo)向鋼構(gòu)（距立背3約1430mm，正常立背間距為4380mm），水平背撐梁1、3、5在導(dǎo)向鋼構(gòu)兩側(cè)加裝限位板，進(jìn)一步加大該位向左向下的膨脹阻力，加劇了導(dǎo)向柱與立背3之間的239-242管子的爐墻變形。從立背2和立背4向下膨脹痕跡看，立背2處背撐7膨脹距離52mm，立背4處背撐7膨脹距離60mm，說明導(dǎo)向柱增加鍋爐膨脹的阻力，進(jìn)一步加劇了爐墻的變形。立背與背撐梁之間（前后方向）加裝200mm垂直圓鋼，同時導(dǎo)向柱與背撐梁限位板之間（左右方向）加裝500mm水平圓鋼，鍋爐上下膨脹時膨脹阻力變大，不利于背撐梁的滑動。鰭片的多次開裂，該部位的管子拘束減小，變形更加容易，加上鰭片補(bǔ)焊時的焊接變形，致使該部位管子變形突出。

3.3 爐膛尺寸

相較于通用公司（英文縮寫GE）的鍋爐，MHI制造的鍋爐爐膛容積?。∕HI：12100，GE:16549），爐膛寬且低，(MHI: 24000×52600，GE：18816×62200)，爐管小（MHI：Φ28.6，GE：Φ38.6）,熱負(fù)荷高，必然造成爐墻變形。依MHI的計算，前墻水冷壁最大允許變形量為53.4mm，目前單側(cè)變形已達(dá)48mm，爐內(nèi)與爐外間的變形量已達(dá)到80mm，已接近壽命極限，很容易出現(xiàn)異常，管內(nèi)痕跡可能存在裂紋；背撐限位板螺絲斷裂，進(jìn)一步加劇爐墻變形。

圖8 Π型超臨界爐前墻金屬壁溫分布圖

圖9 爆管位置背撐和立柱結(jié)構(gòu)圖

圖10 爐墻變形示意圖

圖11 爆管時機(jī)的統(tǒng)計圖

3.4 鍋爐爆管時機(jī)

本次爆管僅離點(diǎn)火時間21小時，啟動期間發(fā)生主燃料跳閘（英文縮寫MFT），以及啟停期間不可避免地引起應(yīng)力變化，縮短爆管時機(jī)；從2008年本廠11次爆管時機(jī)統(tǒng)計看，點(diǎn)火后10天爆管比例高達(dá)55%，說明啟停對機(jī)組安全影響很大，如圖11所示。

4 結(jié)語及建議

本次爆管裂紋主要為鍋爐背撐結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致的爐墻嚴(yán)重變形、鍋爐啟停導(dǎo)致的溫度急劇變化、鰭片補(bǔ)焊尺寸偏大和焊接熱影響薄弱所致。鑒于此，本文建議：

1）對于爆管的240管和241管，更換長度為480mm。同時購買管墻，用于大修更換變形嚴(yán)重的爐管。

2）補(bǔ)焊241管和242管之間開裂的鰭片，加裝背撐螺絲，將過去補(bǔ)焊焊縫打磨至合理厚度。同時對同類機(jī)組鰭片開裂部位定期檢查，采取補(bǔ)焊工藝，并嚴(yán)格控制焊縫厚度和尺寸。另外還要檢查導(dǎo)向管與背撐梁之間的滑動、限位塊安裝以及背撐狀況。

3）MHI認(rèn)為，鍋爐超溫造成鰭片開裂，故對240-242管加裝熱電偶，防止該部位超溫。同時減少啟停次數(shù)，防止溫度突變及超溫現(xiàn)象的發(fā)生。

4）對爆管進(jìn)行金相和斷口分析，為今后同類問題提供參考意見。

5）爐外管發(fā)生泄漏，采用紅外線確認(rèn)蒸汽噴射方向，減少安全隱患。

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