一起MHI造Π型超临界炉水冷壁爆管原因分析

中国特种设备检测研究院锅炉事业部 徐光明 刘杰 潘晴川 车畅

广东红海湾发电有限公司 蔡永江

一起MHI造Π型超临界炉水冷壁爆管原因分析

中国特种设备检测研究院锅炉事业部 徐光明 刘杰 潘晴川 车畅

广东红海湾发电有限公司 蔡永江

为使电站超临界锅炉能够安全、经济、高效、稳定地运行，本文从裂纹位置、炉墙背撑结构、零部件的损坏缺失等方面对炉墙变形、裂纹的产生进行了分析，发现其主要原因是：锅炉背撑结构不合理，水冷壁炉墙温度急剧变化，鳍片补焊尺寸偏大，零部件损坏缺失等，并给出了相应的处理建议。

超临界锅炉；水冷壁管；爆管；裂纹；变形

0 引言

超临界火电机组具有显著的节能和改善环境的效果，已在发达国家得到广泛的研究和应用。同时也是我国电力的主流方向和长期的战略任务。而这其中对电站超临界火电机组锅炉安全高效运行影响较多的，发生频率较高的就是电站超临界锅炉的水冷壁管爆管事故。据国内相关统计，炉内四管（过热器管、再热器管、水冷壁管、省煤器管）失效事故占锅炉事故的2/3左右，其中水冷壁爆管引发的事故占据较大比例。这不仅使设备检修工作量和检修费用大大增加，而且严重影响了锅炉机组的长期安全稳定运行，有时甚至使设备严重损坏并造成人员伤亡事故。因此,本文通过对某电厂三菱重工（英文缩写MHI）造Π型超临界炉水冷壁管爆管事故的分析，找出事故发生的原因，从中寻找锅炉安全运行的思路。

1 事故概况

某电厂1号超临界锅炉，型号MO-SSRR809，MHI制造，Π型，锅炉参数：设计出口压力25.9 MPa，设计出口温度542℃，最大连续蒸发量1950 t/h，再热蒸汽流量1541.2 t/h。该锅炉于2000年3月16日投产，2011年10月13日发生爆管。通过对该超临界炉解列，检查确认，爆管位置位于前墙上数（从上往下数）第三层背撑（FL48700）上方370mm 处左数240根（文中未说明的均为左数）水冷壁管右侧鳍片焊缝边缘，裂纹沿管子长度方向展开，长约430mm，如图1所示。

图1 前墙水冷壁爆管位置（上）及实物照片（下）

图2 241管和242管间的鳍片于背撑4-5之间的裂纹形貌

2 事故检查过程

2.1 裂纹及条痕

对爆管位置进行炉外检查，发现前墙水冷壁从炉顶下数（从下往上数）第3层背撑梁上方370mm处，左数240管右侧鳍片边缘存在裂纹，长约430mm，最大开度约2mm，其中开漏部分长约90mm。240管和241管之间鳍片为现场焊缝，裂纹靠近原工厂鳍片焊缝边缘；241管靠近240管一侧的泄漏位置稍有吹损。背撑4-5间241管和242管之间鳍片的现场焊缝存在长约1200mm的裂纹，从炉外看，裂纹呈锯齿状，如图2所示。

图3 240管内两道痕迹

图4 240管向炉内的变形尺寸

图5 炉内炉墙于背撑1-4间的变形形貌

图6 235管处背撑4限位板螺丝脱落

240管和241管间的断面上鳍片焊缝厚度约10mm，炉内焊接量多，鳍片焊缝内有裂纹和未熔合，长约4-5mm。再对两根管子进行内壁检查，发现240管有两条痕迹，一条位于开裂位置，一条靠近变形的外弧面。同时对240管周边背撑1-6层限位板与水冷壁的48块焊缝做了荧光MT检查，均未见异常，如图3所示。

2.2 变形

240管和241管在上数背撑梁1-6间的变形量最为明显，且为炉内变形，如图4、5所示。从炉外看，240管附近炉墙从背撑1-6之间变形，第2、3层背撑处向炉外变形，第3、4层背撑处向炉内变形，第4、5层背撑处向炉外变形，整体呈内-外-内的“S”形，且240管和241管同周边管变形有差异，明显向炉内变形。从炉内看，沿240管从II级过热器系统冷夹管导向管向炉顶看，炉墙变形呈明显“S”形，且240管变形更为明显。

2.3 零部件损坏

240管处背撑4左侧背撑限位板螺丝脱落，右侧背撑梁连接背撑限位板螺丝断裂，限位板变形，且背撑向炉外变形，同时该处251-261管也向炉内变形，如图6、7所示。

3 事故原因分析

3.1 裂纹

2001年，该部位变形35mm；2004年，240管和241管间的鳍片从背撑6裂至炉顶，长约6200mm；2007年，239管和240管间鳍片从背撑4、5开裂，长约1200mm；2009年，241管和242管间鳍片从背撑3、4间开裂，长约1200mm。从此次裂纹的内短外长，外侧裂纹呈锯齿状，以及裂纹出现在炉外侧的工厂鳍片与管子焊缝的热影响区上判断，本次裂纹为疲劳裂纹。图8所示为Π型超临界炉前墙金属壁温分布图，从图中可以看出，中间部位的金属壁温高，且锅炉膨胀死点位于中心，负荷的波动以及温度的变化，热应力与膨胀阻力的迭加作用，容易引起疲劳。加上管子变形，鳍片与管子焊缝边缘受力最大，产生疲劳裂纹。鳍片开裂，管子变形，修理校正困难，从炉内焊接量偏大，使鳍片厚度变大，加上工厂焊缝和现场焊缝的热影响区迭加，可能导致该位置进一步劣化，以及炉外焊缝偏少，焊角接近管子中心，应力集中，裂纹从薄弱部位产生并延伸。裂纹在炉外产生并向管内延伸，致使壁厚无法承受管内压力而最终爆管。

3.2 变形

1）锅炉背撑结构

对于锅炉背撑结构，原设计水平背撑间距为2200mm，后在两个背撑中间又加一道水平背撑，虽然增加炉墙的刚性，但炉墙膨胀的阻力增大，加大了炉墙的变形。爆管处的背撑和立柱结构图与炉墙变形示意图分别如图9、10所示。

图7 水冷壁前墙241管附近背撑4处管子变形尺寸

2）锅炉垂直背撑钢梁

前墙均布5根垂直背撑钢梁，但在240管左侧附近增加导向钢构（距立背3约1430mm，正常立背间距为4380mm），水平背撑梁1、3、5在导向钢构两侧加装限位板，进一步加大该位向左向下的膨胀阻力，加剧了导向柱与立背3之间的239-242管子的炉墙变形。从立背2和立背4向下膨胀痕迹看，立背2处背撑7膨胀距离52mm，立背4处背撑7膨胀距离60mm，说明导向柱增加锅炉膨胀的阻力，进一步加剧了炉墙的变形。立背与背撑梁之间（前后方向）加装200mm垂直圆钢，同时导向柱与背撑梁限位板之间（左右方向）加装500mm水平圆钢，锅炉上下膨胀时膨胀阻力变大，不利于背撑梁的滑动。鳍片的多次开裂，该部位的管子拘束减小，变形更加容易，加上鳍片补焊时的焊接变形，致使该部位管子变形突出。

3.3 炉膛尺寸

相较于通用公司（英文缩写GE）的锅炉，MHI制造的锅炉炉膛容积小（MHI：12100，GE:16549），炉膛宽且低，(MHI: 24000×52600，GE：18816×62200)，炉管小（MHI：Φ28.6，GE：Φ38.6）,热负荷高，必然造成炉墙变形。依MHI的计算，前墙水冷壁最大允许变形量为53.4mm，目前单侧变形已达48mm，炉内与炉外间的变形量已达到80mm，已接近寿命极限，很容易出现异常，管内痕迹可能存在裂纹；背撑限位板螺丝断裂，进一步加剧炉墙变形。

图8 Π型超临界炉前墙金属壁温分布图

图9 爆管位置背撑和立柱结构图

图10 炉墙变形示意图

图11 爆管时机的统计图

3.4 锅炉爆管时机

本次爆管仅离点火时间21小时，启动期间发生主燃料跳闸（英文缩写MFT），以及启停期间不可避免地引起应力变化，缩短爆管时机；从2008年本厂11次爆管时机统计看，点火后10天爆管比例高达55%，说明启停对机组安全影响很大，如图11所示。

4 结语及建议

本次爆管裂纹主要为锅炉背撑结构不合理导致的炉墙严重变形、锅炉启停导致的温度急剧变化、鳍片补焊尺寸偏大和焊接热影响薄弱所致。鉴于此，本文建议：

1）对于爆管的240管和241管，更换长度为480mm。同时购买管墙，用于大修更换变形严重的炉管。

2）补焊241管和242管之间开裂的鳍片，加装背撑螺丝，将过去补焊焊缝打磨至合理厚度。同时对同类机组鳍片开裂部位定期检查，采取补焊工艺，并严格控制焊缝厚度和尺寸。另外还要检查导向管与背撑梁之间的滑动、限位块安装以及背撑状况。

3）MHI认为，锅炉超温造成鳍片开裂，故对240-242管加装热电偶，防止该部位超温。同时减少启停次数，防止温度突变及超温现象的发生。

4）对爆管进行金相和断口分析，为今后同类问题提供参考意见。

5）炉外管发生泄漏，采用红外线确认蒸汽喷射方向，减少安全隐患。

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