9FA燃机余热锅炉高压过热器的技术改造与监督

斯宝祥，陈石凌，马春江，郭可伟

（杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015）

随着火力发电技术的不断提高和节能环保要求的提出，单机容量为390MW的F级重型燃机已在我国得到广泛的推广应用。半山发电厂从美国GE公司引进3套S109FA燃气－蒸汽联合循环发电机组，其中1号机组于2005年8月1日正式投入商业运行，2006年6月26日，机组余热锅炉1号模块高压过热器高温段发生首次泄漏。随后在不到2年的时间内，3台余热锅炉相继发生类似泄漏达11次，严重影响机组的安全性和调峰能力。因此，在分析炉管泄漏原因和现场实测的基础上，采取了相应的技术改造和日常维护监督措施，并取得明显效果。

1 高压过热器概况

与9FA燃机配套的NG－S109FA－R型余热锅炉引进美国N/E技术在国内制造，其形式为再热、无补燃、自然循环、单排框架结构、全悬吊三压余热锅炉，传热元件采用高开齿螺旋鳍片管，模块化结构。余热锅炉高压蒸汽最大连续蒸发量为282.7 t/h；额定蒸汽出口压力为9.72 MPa；额定蒸汽出口温度为566.6℃。

高压过热器分为高温段（以下简称高过2）和低温段（以下简称高过1），分别布置在1号和2号模块中，模块间布置喷水减温器。其中高过2横向共计105排，纵向2排，全部为螺旋鳍片管。材质采用T91，规格为Φ50.8mm×4.19mm。鳍片管与高过2中间集箱采用拉拔管对接焊接结构。集箱材质为P91，规格为Φ219.1mm×20.62mm。

高压过热器蒸汽流程为全回流式。来自高压汽包的饱和蒸汽通过连通管进入高过1进口集箱，依次流经4排鳍片管后进入高过1出口集箱，再由连通管引入喷水减温器，根据高压主蒸汽集箱出口温度进行喷水减温调节后进入高过2进口集箱，再依次流经2排鳍片管进入高过2出口集箱，由连通管引至高压主蒸汽集箱。

2 炉管运行中的失效

1号机组于2005年8月1日正式移交生产，投入商业运行。2006年6月26日，1号余热锅炉左侧1号模块高过2第二排（沿烟气流向）鳍片管与集箱拉拔管对接焊缝热影响区附近发生首次裂纹泄漏，到2008年5月，共发生类似泄漏11次，发生裂纹的管子有18根（次），主要发生在左侧1号模块高过2从左至右第1—18根，其中以第8—12根居多。

由于高过2发生多次裂纹泄漏事故，严重影响了机组的安全运行和调峰能力，因此对事故管进行解剖试验，并根据锅炉结构、运行状态等数据分析，得出试验分析结果和故障原因。

2.1 试验结果

（1）所有炉管失效的裂纹均发生在高过2鳍片管与集箱拉拔管对接焊缝且靠近鳍片管熔合线附近的水平区域，说明与焊接或焊后热处理有关。

（2）在扫描电镜下观察，断口内、外壁均存在多条微裂纹。裂纹的边缘附近金属结构疏松，呈“垒石”状，部分金属已经脱落。断口未见明显的塑性变形，属于脆性开裂，如图1和图2所示。

图1 内壁边缘裂纹

图2 外壁边缘裂纹

（3）显微分析观察，管子内壁和裂纹开口内部存在均匀的氧化层，并有多处内表面裂纹穿透氧化层向管壁外部方向扩展，表明裂纹形成已有较长时间。这些微小的裂纹成为管子失效的裂纹源，在运行中伴随着交变热应力的不断作用，逐步向纵深发展，最终导致泄漏。图3和图4为失效管内壁裂纹和氧化层宏观镜像。

图3 内壁微型纹形貌

图4 外壁微型纹形貌

（4）焊缝附近管壁内、外金相组织不均匀，靠近焊缝熔合线外壁局部区域晶粒异常粗大，与内壁和其他部位的细晶粒尺寸明显不同。从图5和图6比较可以看出，在相同的倍率条件下晶粒尺寸相差很大，但金相组织均为回火马氏体组织。实测粗晶区和细晶区显微硬度值无明显变化。

图5 泄漏管内壁金相组织 1000×

2.2 原因分析

图6 泄漏管外壁金相组织 1000×

（1）机组投入运行后一直处于调峰运行状态，频繁和快速的启停是诱发裂纹发展的重要因素。1号余热锅炉高过2首次泄漏时累计运行2560 h，启停176次，其中2006年6月启停最为频繁，高达26次，金属材料受到严重的疲劳损伤。

（2）高过2的结构设计不合理。1号模块高过2第二排管子与集箱联接时，设计只考虑了管子与集箱拉拔口形成单个90°弯管。燃机启动速度快，燃气轮机在全速空载状态下的排气流量很大，烟气温度上升速度很快。对于高过2集箱和管束而言，在同一时间段内，由于集箱壁厚较大温度上升慢，膨胀速度也相对较慢，而对于薄壁的鳍片管，温度上升快膨胀速率就较大，因而形成附加热应力。经现场实测，机组在正常运行时，集箱向下膨胀量达到100～120mm。由于启动时鳍片管受到集箱的牵制而无法快速向下自由膨胀，单个90°弯管的设计也不能很好地吸收或缓冲快速向下膨胀的应力，因而管束水平位置存在较大的拉应力和剪应力。因此，在前期发现失效的管子中，裂纹都发生于焊缝附近的水平位置，如图7所示。

图7 高过2原设计结构

（3）焊后热处理对焊接质量至关重要。从图5和图6金相组织对比中可以看出，焊缝附近外壁局部区域粗大金相组织与T91原始要求的细晶粒强韧型钢组织不相符，属于异常组织。造成局部晶粒粗大的原因，可能是在制造过程中产生焊接缺陷，再经过局部返修和二次热处理，致使局部区域晶粒长大。粗大的晶粒对钢管的力学性能必定产生影响。

（4）制造厂家分析认为，余热锅炉长期处于低负荷运行，即燃机在40%～70%负荷下，排气温度达到最大，为防止管子超温，余热锅炉高压减温水流量超出设计值运行，使减温器喷水雾化效果不好，蒸汽带水进入管子引起热疲劳应力增加。

3 结构改造方案与效果

鉴于上述原因，决定对余热锅炉高过2进行局部改造。初次改造时为提高管子抗向下膨胀的力度，在集箱引出管拉拔口下方焊接三角铁，但结果适得其反，裂纹改变方向，在管子下方三角铁端部焊缝附近开裂，甚至发生整个对接焊口断裂事故。

研究分析燃机运行的特点后，改变设计思路，主要以阻尼吸收管子的热膨胀应力为出发点，尽量降低集箱引出管焊口附近的应力，使其达到最小。通过应力计算，采用在鳍片管与集箱之间串接S形弯管，以2个U形弯头达到减小热膨胀应力的目的。改造后结构如图8所示。改造范围确定为余热锅炉左侧1号模块高过2从左至右第1—18根炉管。

2008年6月，3台余热锅炉高过2完成改造，运行至今未再发生类似的泄漏事故，说明改造取得了明显的效果。

4 改造时应注意的问题

上述技术改造效果明显，但改造时应注意以下问题：

（1）因为改造的目标是1号模块高过2的第二排管子（沿烟气方向），炉后方向已无空间，S弯管只能迎烟气向前方穿越高过2第一排管，由于第一排管管束节距只有100.2mm，直径Φ50.8mm的管子很难穿越，因此在保证蒸汽流量的前提下应相对缩小管径，使管子穿越时有一定的预留间隙，避免运行中交叉管之间发生相对摩擦。本次改造采用的管材规格为Φ42mm×5mm。

图8 串接S型弯管的改造结构

（2）上部与鳍片管对接时，应以Φ（42～51）mm×5mm大小头接头过渡。与集箱联接时，建议采用加强型短管管座，以提高抗疲劳能力，在保证管座改造质量的前提下，即使再次发生疲劳裂纹也不至于危及集箱的安全运行。

（3）剥离螺旋鳍片时不能采用火焰切割，用机械方法时应注意不损伤管子表面。鳍片剥离后应进行表面修整和宏观检查，必要时渗透探伤。

（4）注意现场检修装配工艺和顺序，必须按照工艺要求实施装配、焊接及焊后热处理。焊口质量必须经射线探伤检验合格。

5 改造后的监督工作

改造后需加强日常运行中的监督，建议前期应每2～3个月做1次宏观检查或渗透探伤，几次检查未发现异常后，可延长为半年检查1次。重点检查以下部位：

（1）集箱引出管角焊缝和第一只对接焊口附近表面。同时可扩大到邻近第19—22根集箱引出管附近范围。发现有疑问时，先仔细清除疑问部位痕迹，下次复检时仔细观察是否继续产生疑问痕迹。

（2）U形弯管部分。此处是弯管减应区，承受热应力时上下变化幅度相对较大，最容易产生疲劳裂纹，尤其是内、外弧侧。

（3）弯管和垂直管交叉部位。由于穿管后留有空间很小，改造时稍不注意就会造成管子相碰，运行中在较大的膨胀幅度下容易造成管子上下摩擦造成损伤。

（4）建议较长时间停机时，对高过2第二排（沿烟气方向）全部105根集箱引出管安排1次渗透探伤检查，必要时对该结构全部管子进行上述技术改造。

[1]朱晨曦，黄万立，斯宝祥.S109FA燃机余热锅炉管束泄漏原因分析及改进[J].华电技术，2009（3）∶21-26.