超临界锅炉末级过热器爆管原因分析及防范措施

关鑫源 姚学会 李鑫杰 冯军涛 张建彪 白立佳

（宁夏京能宁东发电有限责任公司 银川 750400）

超临界锅炉末级过热器爆管原因分析及防范措施

关鑫源 姚学会 李鑫杰 冯军涛 张建彪 白立佳

（宁夏京能宁东发电有限责任公司 银川 750400）

火力发电厂锅炉受热面四管泄漏防范对机组安全稳定运行至关重要，四管泄漏涉及锅炉、金属、化学等多个专业，与运行人员操作水平和检修质量等密切相关。根据锅炉末级过热器爆管，从机组运行前后参数和检查情况，对可能导致爆管的原因进行逐一分析，得出了爆管的直接原因。根据机组目前运行存在的问题，提出和制定了相应的预防措施，对同类型超临界锅炉安全稳定运行有一定参考价值。

锅炉 末级过热器 爆管 氧化皮 热偏差 壁温 超温

某厂2×660MW—HG-2210/25.4-YM16型锅炉是哈尔滨锅炉厂自主开发制造的燃煤超临界压力变压运行，一次中间再热，π型布置，单炉膛，尾部双烟道，全钢架，悬吊结构，采用不带再循环泵的大气扩容式启动系统的直流660MW锅炉。制粉系统采用中速磨直吹式，每台炉配6台ZGM113G-Ⅱ型中速磨煤机，5运1备，煤粉细度R90=18%。锅炉燃烧器采用墙式切圆燃烧，主燃烧器布置在水冷壁的四面墙上，每层4只对应一台磨煤机。SOFA燃烧器布置在主燃烧器区上方的水冷壁的四角，以实现分级燃烧降低NOx排放。

锅炉过热器系统按蒸汽流程依次分为顶棚过热器、包墙过热器、中隔墙过热器、低温过热器、分隔屏过热器和末级过热器。末级过热器位于折焰角正上方，沿锅炉炉宽度方向排列共34屏，管屏间距为550mm。每片管组由19根管子绕制而成，管子的直径为φ63/φ51mm，材质为SA213-TP347H和SA213-T91。

#2机组于4月3日调停检修后并网运行，4月5 日18:00分机组负荷599MW、给煤量340t/h、主蒸汽压力24.42MPa、主汽流量1948t/h、主给水流量1957 t/h、总风量2013t/h，18:05分炉管泄漏检测装置#22点超上限报警，判断为锅炉末级过热器附近泄漏。

1 机组停运检查及检测

1.1 宏观检查

停炉冷却后，检修人员进入#2锅炉折焰角上部检查，检查发现泄漏位置位于锅炉右侧末级过热器左数第30屏入口段第4根管弯头处。爆管破口断裂面粗糙不平整，边缘呈钝边，破口附近有众多平行于破口的轴向裂纹。破口位置在爆管后受到瞬间冲击力穿过第29、28屏至第27屏处，爆口受到泄漏蒸汽动量冲击弯曲呈约35°形状张口，并将多屏管排冲撞出列。初步判断为超温引起爆管。

1.2 爆口管段材质和联箱内窥镜检测

查阅出厂图纸该部位设计材质为SA213-TP347H，现场光谱确认材质与设计相符。对末级过热器第30屏第4根和出入口联箱内部进行内窥镜检查，未发现异物，内部清洁，排除检修异物堵塞爆管。

2 末级过热器爆管原因分析

2.1 氧化皮检测统计分析

截止此次停机累计运行约16000h，初步判断管内已达到氧化皮产生高峰期，因此检修时对末级过热器氧化皮进行了全面检查，检查结果见表1。

表1 末级过热器氧化皮检查结果

对#2锅炉末级过热器不锈钢弯头全部检测，发现有27根弯头产生氧化皮脱落堆积，经检测、复测、定性、定量分析：有14根占管径截面达1/3以上，需割管清理，其余氧化皮占截面小于1/3，采用专用设备将其驱动打散，减小堆积高度，消除堵塞风险，不会阻碍蒸汽的通流而影响热交换，故不需割管清理，予以记录以便监督检查。

对氧化皮脱落堆积占管径截面达1/3以上末级过热器14根管圈进行割管清理发现所割管内氧化皮脱落堆积量及管内壁附着氧化皮量较少，不足以达到脱落堵塞爆管的程度，故排除氧化皮脱落堵塞超温爆管。

2.2 末级过热器热偏差分析

引起锅炉过热器超温的原因主要有两方面[1]：一是烟气侧的原因，除燃烧方式设计因素外，由于煤质变化、燃烧调整不当、火焰中心上移、锅炉漏风及火焰行程延长等使各管吸热不一致也会引起热偏差；另一方面是蒸汽侧由于流量偏差以及工质流速低引起的热偏差。

导致烟气侧热偏差主要有以下几方面的原因：1）燃烧方式。在四角切圆燃烧锅炉中，由于残余旋转的影响，在水平烟道左、右两侧烟气存在一定的温度和速度差，从而造成两侧管屏的辐射传热、对流传热及温差的不同[2]。2）煤质变化或磨煤机运行不稳定，造成燃烧恶化或炉内流场变化，引起烟道宽度方向以及沿过热器和再热器高度方向的吸热偏差[3]。3）燃烧调整造成火焰行程延长或火焰中心上移，也会引起沿宽度和高度方向上各管屏的吸热偏差。

蒸汽流量偏差主要由设计结构引起的，从锅炉后期运行优化的角度考虑，无法改变该部分流量分配。炉膛出口烟气温度偏差是指炉膛水平和垂直出口截面中热流分布不均。烟气温度或速度的不均匀性可导致位于出口截面附近受热面金属温度不一致。在极端恶劣工况下，高于平均金属温度区域的管子对过热爆管可能较为敏感。

图1 #2炉末级过热器屏间壁温偏差系数分布曲线（从炉左至炉右）

图1为#2炉燃烧调整试验得出的末级过热器屏间壁温偏差系数分布曲线。根据#2锅炉燃烧调整试验可知：#2锅炉末级过热器屏间壁温偏差系数最大在1.4左右，末级过热器布置在炉膛折焰角上部，其中有较大比例的吸热量为辐射吸热，该锅炉为逆时针墙式切圆，在水平烟道内存在残余旋转，使得右侧吸热量较强。

2.3 末级过热器超温统计分析

从燃烧调整试验结果可知#2锅炉运行中存在热偏差，炉右温度明显高于炉左，且本次爆管部位恰好位于炉右侧，故对末级过热器第25-34屏管排壁温超过高限值600℃的管子进行统计，统计时间为上次启机至本次停机，共计217天。

末级过热器每个管屏仅在第1、2、10、16管圈安装壁温测点，现有测点不能完全反映末级过热器管屏运行情况。#30排管屏第4根管无壁温测点，运行过程中无法监视是否超温。从表2末级过热器管壁超温统计结果可以看出：炉右管屏普遍存在壁温偏高现象，其中#30和#31管排壁温超高限值600℃累计时间最长，累计次数最多，壁温最大值高于其他管屏。结合热偏差分析可知：30、31、32管屏区域为温度最高区域。

表2 末级过热器管壁超温统计

2.4 管壁实际运行温度计算分析

沿炉膛高度的吸热不均匀性主要与锅炉容量大小、炉内燃烧器布置、运行方式、燃料种类及受热面布置情况有关[4]，其值的大小主要取决于受热面在烟道中的位置，一般水平烟道上部的热负荷小于下部，炉膛出口偏差最大。过热器不同管屏处在不同的烟温区域，导致不同区域管屏管壁温度也不相同，即使同管屏的不同管圈，管壁温度也存在偏差。过热器的设计工况、材料、规格等因素也会导致管屏温度不均匀[5-6]。

管子外壁温度计算公式为[7-8]：式中：

tj——计算点管内介质温度，℃；

μ ——热量均流系数；

α2——计算点管子内壁对介质表面传热系数，kW／(m2·℃)；

qmax——计算点管子外壁沿周界最高热负荷，kW／(m2)；

δ ——计算管壁厚度，m；

λ ——管壁钢材热导率，kW／(m·℃)；β ——管子外径与内径比；

沿炉膛高度的吸热不均匀系数计算如下[2]：

式中：

Z ——相对系数，Z = z/a；

z ——计算壁温点与壁温测量元件距离，mm；

a ——壁温测量元件至末级过热器入口段弯头距离，mm。

以主蒸汽额定温度571℃来计算，考虑沿炉膛高度的吸热不均匀系数，炉内管壁弯头处外壁温度可达623.65℃。

末级过热器温度测点安装在靠近出口集箱的短管上，热电偶（WRNT2-11型，测温误差约0.75%）安装在管子金属基体外表面，这样测量值为该点金属温度[9]。根据经验对运行中实时传输的温度加50℃的修正值，修正后的数据值作为危险点部位管壁金属外壁温度[10]。

查阅表3哈尔滨锅炉厂有限责任公司出厂资料“锅炉末级过热器壁温计算结果汇总表”，以末级过热器蒸汽入口段为计算点，末级过热器#30屏第4根管允许管壁温度为641℃。当测量壁温达到600℃时，末级过热器炉内外壁温度约673.65℃，已超出设计允许管壁温度。如果考虑炉内残余旋转引起的烟气侧流量和烟气温度偏差以及热电偶测量误差等，将使末级过热器弯头处管壁外表最大温度可能接近730℃，已超过设计的允许管子最高外表温度704℃，不符合《火力发电厂锅炉受热面管监督检验技术导则》（DL/T 939—2005）6.1条：锅炉受热面管壁温度在设计允许范围内之规定[11]。

表3 锅炉末级过热器壁温计算结果汇总表

根据末级过热器30、31、32管屏氧化皮检测结果可以看出该部位氧化皮产生量相对较大，而氧化皮生成与温度直接相关，故可得出30屏第4根爆管原因为长期超温。

2.5 金相分析

4月10日取未爆管和爆管两处管样进行金相组织分析，结果显示：未爆管段TP347H钢的金相组织变化极小，依然保留了奥氏体的孪晶特征，晶粒中存在一些细小的晶粒，没有析出物特征。爆管段金相组织已发生了显著的变化，孪晶特征几乎消失，且有明显的析出相分布。SA213-TP347H属18-8型铬镍奥氏体不锈钢，该类钢在高温下长期服役后由于形成碳化物和σ相会产生脆化。在奥氏体不锈钢的敏化温度区间400～850℃形成碳化物(Cr23C6)，而σ相(Cr2Fe的金属间化合物)的形成温度区间大约为600～980℃，但不同合金成分的奥氏体钢析出σ相的温度区间和时间是不同的。奥氏体不锈钢中钛、铌、钼、硅等形成铁素体元素时，铬促使σ相从铁素体中形成[12]。碳化物相和σ相在金相上的分布一般集中在晶界上，在材料长期服役后高温析出相沿晶界不断析出形成连续的脆性相，极易沿晶断裂，严重降低钢的持久寿命和热疲劳寿命[13]。历次检修中未根据超温统计情况对超温管段抽查测量胀粗和金相组织，不符合《火力发电厂锅炉受热面管监督检验技术导则》（DL/T 939—2005）6.6.6条：应根据运行中高温过热器的超温情况，抽查管子胀粗及金相组织之规定。

图2 SA213-TP347H未爆管组织(400×)

图3 SA213-TP347H爆管组织(400×)

3 防范措施

由于机组运行至今从未发生超温引起的爆管事故，运行人员对于长周期运行中部分管壁温度多次小幅跨限偏高与管材寿命的关系规律经验总结不足，实际操作中对管壁测点温度、管壁实际温度、允许管壁温度、控制温度和报警温度等壁温计算原理和概念没有深入理解，导致个别偏差管壁温在变工况下处于濒临越限、偶有超温、长期累积过热的状态，加之防磨防爆检查重点区域管束的预防性抽检与控制工作不够全面，对超温管段高温持久强度劣化缺陷预估不足，最终导致了本次超温爆管事件，为此制定以下措施逐步控制壁温在安全范围内：

1）根据#2机组运行情况确定壁温高限值，从原先600℃降低到590℃[14]，以确保壁温在安全允许范围内。

2）在燃烧偏差没有有效解决前，从热力学理论、测点准确性、锅炉运行特点、汽温额定保证等方面深入开展过热器出口壁温上限值合理优化工作。

3）运行过程中加强燃烧调整，防止出现运行超温和升降温速率过快现象，对易超温管屏重点监督。

4）对高温区域和易产生氧化皮管子加装热工测点，并对原有热工测点检查校验，确保集热块满焊，对集热块增加局部保温。

5）制定切实可行的受热面管金属监督计划，在后续检修中逐步安排实施。

6）开展运行绩效考核，对各运行值的小指标如蒸汽压力、温度、金属壁温等开展值际竞赛和考核。

7）由于长期超温管段没有有效的现场检查手段，表面无明显现象，结合投产以来的实际超温统计与检查统计，研究确定更换具有类似超温特性的区域管屏。考虑对个别偏差管管材进行升级换代，从而减少运行频繁调整和检修逢停割管的作业风险。末级过热器超温区域第30、31、32管屏由粗晶SA213-TP347H改细晶TP347HFG内壁喷丸，进一步加强管材抗高温氧化能力。

8）坚持“逢停必查”的原则，对投产至今爆管部位和缺陷集中部位重点检查，对发现问题部位进行扩大性检查。对氧化皮脱落堆积超标的管子及时进行检查清理，对氧化皮脱落未超标管子的氧化皮堆积量和超温现象进行监督跟踪。不断加强防磨防爆人员队伍建设，提高专业人员的防磨防爆技术水平。

9）按照“四不放过”原则，做好“四管”泄漏事故原因分析，对四管泄漏如实记录泄漏前机组运行工况及处理措施。根据现场情况查明原因，明确责任，吸取教训，采取相应的改进措施。

4 结论

通过对#2锅炉末级过热器氧化皮检测、热偏差、超温统计、管壁实际运行温度计算和金相组织分析可知：末级过热器30屏4号管爆管主要原因为长期超温，管壁壁温超过设计的允许管子最高外表温度，运行和检修中未严格执行《火力发电厂锅炉受热面管监督检验技术导则》（DL/T 939—2005）中相关要求。超温运行使得SA213-TP347H奥氏体不锈钢的σ相从铁素体中形成进而降低了钢的持久寿命和热疲劳寿命，加之炉内燃烧波动，使烟气侧和蒸汽侧工质瞬间扰流导致爆管。建议运行过程中加强对锅炉受热面壁温检测和预警，做到风险预控和消除，确保锅炉安全运行。

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Cause Analysis and Preventive Measures of Tube Burst in Final-stage Superheater of Supercritical Boiler

Guan Xinyuan Yao Xuehui Li Xinjie Feng Juntao Zhang Jianbiao Bai Lijia
(Ningxia Jingneng Ningdong Electric Power Co., Ltd. Yinchuan 750400)

It is very important for the safety and stability of the four units to prevent leakage of the boiler's heating surface in the thermal power plant. The leakage of the four tubes is related to boiler, metal, chemistry and so on, and is closely related to the operation level and service quality. According to the boiler super heater tube burst, from the parameters and check situation before and after the operation of the unit, the potential causes of explosion were analyzed one by one, the direct cause of the tube burst was obtained. According to the problems existing in the operation of the unit, the corresponding preventive measures are put forward and developed, which have certain reference value for the safe and stable operation of the same type supercritical boiler.

Boiler Final-stage superheater Tube burst Oxide scale Thermal deviation Wall temperature Over temperature

X933.2

B

1673-257X(2017)05-0076-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.017

关鑫源(1987～)，男，硕士，从事锅炉设备检修工作。

关鑫源，E-mail: lzjtugxy@126.com。

2016-11-07）