張凡志， 王賢明， 陳 健， 黃一君， 梁 震

(1. 浙江浙能電力股份有限公司臺州發(fā)電廠， 浙江臺州 318016； 2. 浙江浙能技術(shù)研究院有限公司， 杭州 311121)

燃煤火電機組由于鍋爐系統(tǒng)故障所導(dǎo)致的非計劃停運(簡稱鍋爐系統(tǒng)非停)次數(shù)占總非停次數(shù)的比例較大，而鍋爐受熱面故障在鍋爐系統(tǒng)故障的占比較大。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(簡稱中電聯(lián))統(tǒng)計，在2012年—2016年1 000 MW等級燃煤火電機組非停中，鍋爐系統(tǒng)非停次數(shù)占總非停次數(shù)的46.99%、鍋爐系統(tǒng)非停時長占總非停時長的57.30%；其中，鍋爐受熱面故障造成的非停(簡稱鍋爐受熱面非停)次數(shù)占鍋爐系統(tǒng)非停次數(shù)的43.60%，鍋爐受熱面非停時長占鍋爐系統(tǒng)非停時長的81.06%[1]。根據(jù)中電聯(lián)2013年對100 MW及以上火電機組非停的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鍋爐系統(tǒng)非停次數(shù)約占總非停次數(shù)的57%，鍋爐系統(tǒng)非停時長占總非停時長的77.09%；鍋爐受熱面非停次數(shù)占鍋爐系統(tǒng)非停次數(shù)的51.15%，鍋爐受熱面非停時長占鍋爐系統(tǒng)非停時長的71.81%[2]。

在機組非停中，鍋爐受熱面故障占比很大，鍋爐受熱面的故障分析和研究一直以來受人關(guān)注。但是，鍋爐受熱面的用鋼材類繁多、數(shù)量巨大，并且在長期運行后組織和性能會發(fā)生變化，在事故發(fā)生前預(yù)測和防范鍋爐受熱面故障的難度較大。針對已發(fā)生的鍋爐水冷壁、省煤器、過熱器、再熱器受熱面故障進行失效分析的研究和分析較多，大多是在事故發(fā)生后結(jié)合現(xiàn)場故障宏觀情況，參考鍋爐設(shè)計資料或者自行熱力計算，采用金相和力學(xué)試驗等理化試驗結(jié)果分析故障原因，提出防范故障再次發(fā)生的措施[3-10]。

從行業(yè)標準內(nèi)容修訂的角度切入，可以簡單和快速地篩選出需要重點監(jiān)控的薄弱鋼材，筆者根據(jù)DL/T 715《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》[11-12]，比較前、后兩版標準中鋼材適用條件的差異，以某亞臨界鍋爐再熱器應(yīng)用的12Cr2MoWVTiB，即鋼102為例，評價鋼材性能，并為火電廠技術(shù)人員篩選和分析薄弱鋼材提供參考。

1 鍋爐概況

該鍋爐1997年投運，為亞臨界參數(shù)，中間再熱，自然循環(huán)單汽包爐。爐膛由膜式水冷壁構(gòu)成，爐膛上部布置了屏式過熱器，折焰角上方有二級高溫過熱器，在水平煙道處布置了高溫再熱器，尾部豎井由隔墻分成前后兩個煙道，豎井前部布置水平再熱器，后部布置一級過熱器和省煤器。在設(shè)計煤種下，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下的高溫再熱器部分參數(shù)見表1。

表1 鍋爐高溫再熱器部分參數(shù)

在鍋爐水平煙道處布置的高溫再熱器，8管圈并繞，沿爐寬布置62屏，原設(shè)計管材包括12Cr1MoV、鋼102、SA-213TP304H，管子外徑為60 mm、壁厚為4.5 mm，布置情況見圖1。由表1可知，高溫再熱器所處煙溫在841～970 ℃。

圖1 高溫再熱器材質(zhì)布置示意圖

2 受熱面材料選用

2.1 選材依據(jù)

電力行業(yè)標準DL/T 715—2000《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》根據(jù)原電力工業(yè)部1996年電力行業(yè)標準計劃項目的安排制訂，是我國電力行業(yè)第一部關(guān)于選用火電機組重要部件金屬材料的標準，直至2015年才修訂產(chǎn)生了DL/T 715—2015 《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》，該標準對電力行業(yè)技術(shù)人員有著重要的參考價值[11-12]。DL/T 715中對鋼102特性和主要應(yīng)用范圍的介紹見表2，推薦壁溫由2000年版的600 ℃下降到2015年版的575 ℃。

在DL/T 715—2000出現(xiàn)前，業(yè)內(nèi)認為鋼102是適用于壁溫≤600 ℃的受熱面管；但是隨著對鋼102材料性能認識的深入，DL/T 715—2015將鋼102推薦壁溫下調(diào)。因此，對于仍在使用鋼102的在役鍋爐，有必要判斷其是否適用。

表2 DL/T 715中鋼102的主要應(yīng)用范圍

2.2 設(shè)計壁溫

鍋爐再熱器金屬壁溫受煙溫分布、受熱面結(jié)構(gòu)、布置位置和內(nèi)部介質(zhì)等諸多因素影響，計算獲得準確壁溫的難度很大[13-17]。將該鍋爐設(shè)計單位提供的不同材料的再熱器出口管(外徑60 mm、壁厚4.5 mm)的設(shè)計壁溫與DL/T 715推薦的應(yīng)用范圍進行比較，結(jié)果見表3。設(shè)計人員認為，再熱器出口管使用鋼102和SA-213TP304H在壁溫上留有裕度，并把12Cr1MoV用至上限。但是，從DL/T 715—2015可知，鋼102和SA-213TP304H的推薦應(yīng)用溫度下調(diào)，12Cr1MoV的應(yīng)用溫度上調(diào)。因此，鋼102在運行過程中可能存在一定的風(fēng)險。

2.3 運行壁溫

在鍋爐運行中，不同的管屏管內(nèi)蒸汽側(cè)的傳熱量和煙氣側(cè)的吸熱量都不同，而且機組負荷的波動、減溫水的噴入等因素都會對受熱面壁溫產(chǎn)生影響，受熱面壁溫變化速率大。盡管鋼管在爐內(nèi)外的實際壁溫有差別，而且裝設(shè)在爐外的壁溫測點處沒有保溫導(dǎo)致壁溫測量值比實際值偏低，但是在工程上尚無很好的監(jiān)測手段，仍是根據(jù)在線爐外壁溫推測被煙氣包圍的爐內(nèi)管是否發(fā)生超溫[13-17]。

查看該鍋爐再熱器出口壁溫測點的2015年全年監(jiān)測數(shù)據(jù)，其全年最高值(596.27 ℃)出現(xiàn)在8月某天，選取該壁溫值高點附近32 d的數(shù)據(jù)進行研究。沿鍋爐側(cè)墻至鍋爐中心均勻選取9個壁溫測點，對其每天的最高值進行統(tǒng)計，并形成曲線(見圖2)。由圖2可以看出：壁溫最高值對應(yīng)的測點為TE18133(596.27 ℃)，TE18122、TE18144測點的顯示值均較高，其壁溫低值在561 ℃，高值達到585 ℃及以上，甚至高達596.27 ℃。與之形成對比的是TE18116、TE18127、TE18128測點，其最高值均低于577 ℃，TE18114、TE18125、TE18136測點的最高值均低于510 ℃。從實測壁溫情況來看，鋼102實際溫度確實存在超過DL/T 715—2015規(guī)定最高壁溫的情況。

圖2 再熱器出口壁溫測點的數(shù)據(jù)高值統(tǒng)計

3 檢查和試驗

3.1 爐內(nèi)檢查

DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》指出，對于再熱器管，壁厚減薄量不應(yīng)超過設(shè)計壁厚的30%；當發(fā)現(xiàn)再熱器管外表面氧化皮厚度超過0.6 mm時應(yīng)及時換管。實際工作中，檢修時間有限，鍋爐受熱面數(shù)量大，且鍋爐受熱面管表面黏附了灰渣等物質(zhì)，通過辨別管子外表面氧化皮和灰渣等物質(zhì)分界面，進而測量氧化皮厚度的方法有一定難度。該機組再熱器管子41-7(從爐左向右數(shù)第M屏，從爐前向后數(shù)第N根管子，記作M-N)，外壁氧化皮的剝落情況明顯(見圖3)。

圖3 爐內(nèi)高溫再熱器鋼102管檢查情況

一般通過目測發(fā)現(xiàn)表面情況異常的受熱面管子，對于管外壁氧化皮較厚的管子，可以先采用打磨清除管外壁灰渣、氧化皮，再進行超聲波測厚的方法，從而快速判斷是否需要進行換管處理。對于管外壁氧化皮異常的受熱面豎直管，外壁氧化皮越厚，熱阻越大，不利于傳熱，會導(dǎo)致管子壁溫上升，加劇金屬的氧化過程，加速內(nèi)壁氧化皮的生成。相同材質(zhì)的管內(nèi)壁氧化皮越厚，剝落導(dǎo)致后果可能越嚴重，有必要對管外壁氧化皮較厚的豎直管，采用射線檢測下彎頭等方法排查管內(nèi)氧化皮是否堵塞，若發(fā)現(xiàn)堵塞應(yīng)及時清理。

受檢修時間和現(xiàn)場條件制約并未對所有高溫再熱器管屏現(xiàn)場測厚，對運行期間壁溫測點高值(見圖2)或外表面情況較差的第10、12、13、14、40、41、42屏的出口管子，尤其是鋼102材質(zhì)的管子進行重點檢查，在相同標高位置(見圖1)對管子外表面磨除氧化皮后進行超聲波測厚，該56根管的壁厚曲線見圖4?，F(xiàn)場測量壁厚結(jié)果顯示，小于等于設(shè)計壁厚的70%(3.15 mm)的管子共有5根，對應(yīng)的高溫再熱器管分別為12-7、13-5、13-7、13-9、13-10，不符合DL/T 438—2016關(guān)于壁厚的要求。對這些壁厚不符合要求的管子現(xiàn)場做好位置、規(guī)格、向火側(cè)和背火側(cè)等標記，然后進行換管處理。

圖4 高溫再熱器管現(xiàn)場壁厚測量值

3.2 理化試驗

對上述5根鋼102管樣品在實驗室使用體視顯微鏡測量壁厚，結(jié)果見圖5。

圖5 樣品和體視顯微鏡測厚

用金相顯微鏡檢查樣品氧化皮厚度和金相組織，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 樣品內(nèi)外壁氧化皮測厚

圖7 樣品的金相組織

用維氏硬度計對樣品進行了硬度測量，將鋼102管樣品的壁厚、氧化皮厚度及維氏硬度的測試結(jié)果匯總于表4。

表4 壁厚、氧化皮厚度和維氏硬度的測試結(jié)果

由表4可以看出：所選樣品中，壁厚最小為2.26 mm；比較顯微鏡測厚與檢修現(xiàn)場壁厚的數(shù)據(jù)，5根管子中有4根測量值小于或接近3.15 mm。1根略大于3.15 mm，對施工現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進行了驗證，可見現(xiàn)場測厚數(shù)據(jù)基本準確，能夠滿足現(xiàn)場檢修快速有效進行判定的需求。樣品的內(nèi)壁氧化皮均出現(xiàn)不同程度的分層，內(nèi)、外壁氧化皮較厚，脫落風(fēng)險大，還增大了再熱器內(nèi)部蒸汽介質(zhì)與外部煙氣的傳熱熱阻。一般來說，鍋爐受熱面管內(nèi)壁氧化皮的厚度由向火側(cè)至背火側(cè)逐步減薄[18]，但是會有剝落情況發(fā)生，出現(xiàn)了表4中13-7管子的情況。樣品的金相組織為鐵素體+少量貝氏體，老化級別為4.0～4.5級，老化嚴重。樣品的維氏硬度滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》關(guān)于鋼102的正常范圍(160 HV～230 HV)，由于在施工現(xiàn)場對再熱器等受熱面小徑管里氏硬度測量的可信度不高，該項工作一般在實驗室進行。實驗室分析結(jié)果表明，管樣存在明顯的壁厚減薄和組織老化現(xiàn)象。

4 分析和建議

鍋爐受熱面管內(nèi)壁氧化皮的增長厚度與其在該時間段服役的當量金屬溫度有一定的對應(yīng)關(guān)系。某種管子不論其在何種溫度、何種應(yīng)力條件下運行時間有多長，其壽命的損耗程度可以等效成在某一固定的金屬溫度及特定的應(yīng)力條件下服役了相同時間，該等效的金屬溫度稱為當量金屬溫度。當量金屬溫度可使用Laborelec經(jīng)驗公式[19-20]計算，即

(1)

式中：T為當量金屬溫度，℃；x為管子內(nèi)壁氧化層厚度，mm；τ為管子已運行時間，h；a、b為材料常數(shù)。

受熱面管內(nèi)壁氧化皮處于生成、變厚、分層、剝落和重新生成的動態(tài)過程，沿管圈的厚度不同[18]，基于內(nèi)壁氧化皮厚度計算的當量金屬溫度也會有變化。由管樣向火側(cè)和背火側(cè)內(nèi)壁氧化皮厚度得到的當量金屬溫度見表5。而且，管樣對應(yīng)金屬壁溫也較高(見圖2)，再熱器鋼102的金屬壁溫能達到580 ℃以上，甚至個別點可達590 ℃以上，已經(jīng)不符合DL/T 715—2015的相應(yīng)規(guī)定。在后續(xù)進行鍋爐受熱面壽命評估或者受熱面升級改造[18-19,21]時，也要關(guān)注對該類鋼材的分析和處理。

表5 樣品管向火側(cè)和背火側(cè)的當量金屬溫度

5 結(jié)語

筆者結(jié)合亞臨界鍋爐高溫再熱器的分析，實例驗證了DL/T 715對鋼102應(yīng)用范圍修訂的準確性，由此快速篩選出同類電廠中需要重點關(guān)注的薄弱鋼材。針對此類鋼材，務(wù)必重視其運行壁溫數(shù)據(jù)的排查和分析，對于壁溫測點溫度長期較高的，檢修時著重檢查對應(yīng)爐內(nèi)管的形貌和壁厚等情況，必要時采取受熱面壽命評估或者升級改造等措施。

在實際工作中，相關(guān)技術(shù)人員還應(yīng)根據(jù)管樣拉伸、沖擊等試驗數(shù)據(jù)，同時征求鍋爐設(shè)計人員的意見，綜合評估鋼材性能。評估認為某鋼材性能無法滿足安全需要時，有必要對鍋爐降低蒸汽參數(shù)運行或者進行受熱面鋼材的升級改造，以確保鍋爐的安全。