热电厂锅炉水冷壁管失效原因探究

黄斌鑫

（新疆圣雄能源股份有限公司，新疆 吐鲁番 838000）

0 引言

在热电厂中，锅炉水冷壁管、热交换器、汽轮机、发电机等都是重要的机组设备，电厂不间断供电主要依赖于其设备和部件的持续正常运行，如果单台设备出现故障，整个供电系统将会受到严重的影响。其中，锅炉水冷壁管内部暴露于流动蒸汽的高压和高温下，外部暴露于燃烧产物的高温下，是锅炉管、蒸汽过热器元件和化工厂转化管等热交换系统的关键部件；并且锅炉水冷壁管主要用于吸收炉膛内火焰和高温气体流动产生的辐射热量，具有冷却和保护炉壁的作用[1-3]。近年来，在我国发生了诸多热电厂非计划停机事故，造成了严重的经济损失和人员伤亡，并且对电厂整体运行环境也造成了严重的破坏。经过调查分析，锅炉水冷壁管泄漏、爆管等原因造成失效是导致事故的主要原因之一。国内外诸多学者对锅炉水冷壁管失效的原因进行了研究，Ghosh[4]等人研究发现由于锅炉水冷壁存在焊缝缺陷，水冷壁内流体的不稳定流动引起的振动载荷，锤击管壁导致应力集中，引起水冷壁管道失效。Assefinejad[5]等人对失效的水冷壁管进行了外观检查、尺寸测量、化学分析、硬度评定、金相及力学性能测试等综合分析，从各种试验结果可以看出,由于镀膜水冷壁管长期处于高温环境，氧化层厚度较高，沉积物腐蚀是其失效的根本原因。田晓[6]等人研究发现注气锅炉的水冷壁管道的内壁存在原始制造缺陷，在锅炉高温汽水运行工况下，管道向火面的缺陷处逐渐发生腐蚀溶解，导致壁厚不断减薄，最终致使管道因剩余壁厚的强度不足而发生泄漏；宋洋[7]等人研究发现煤燃料中的硫、氯元素以及硫酸盐是管道外壁腐蚀的主要因素；徐卫仙[8]等人通过分析得到造成水冷壁管爆管的直接原因为炉管沉积物下介质浓缩发生氢腐蚀。

为了减少锅炉水冷壁管泄漏、爆管等事故造成的严重后果，对其实施科学合理、实时有效的安全监测是热电厂安全运营管理工作的重要内容，为热电厂运行事故的预防处理和防灾减灾救灾工作提供科学依据，有效地减少热电厂运行事故给人民生命财产和生产生活带来的损失。

因此，本文基于某热电厂锅炉水冷壁管泄漏事故进行失效原因探究，进一步实现动态监测和综合管理，更好地掌握热电厂的健康现状，为热电厂运行过程中的风险早期识别和预报预警提供重要的依据，对提热电厂安全运行、实施监测预警信息化工程等都有重要的意义。

1 水冷壁管失效事故概况

热电厂位于新疆维吾尔自治区某工业园内，设计总规模为2400MW（4×300MW＋4×300MW），热电厂年利用小时数为6000h，2012年投产使用。锅炉采用我国自主研发的单炉膛300MW全钢构架的循环流化床锅炉。2020年04月18日运行人员发现1#锅炉炉膛负压突增至+1200Pa，立即调整炉膛负压，降低机组负荷、主汽压力，随后将汽轮机手动打闸，发电机解列，锅炉手动BT。经现场检查发现锅炉标高25m处，锅炉左侧前墙水冷壁过热器吊屏1和过热器吊屏2之间第66根管道泄漏。

2 水冷壁管检验测试

2.1 宏观检验

锅炉停运后对泄漏的第66根水冷壁管道进行了宏观检验，水冷壁管的整体外表面均呈现腐蚀、点蚀和蠕变的特征，局部还存在有凹坑，距离圆形爆口37.0mm处存在椭圆形补焊点；管道内壁存在严重的结垢现象，最大垢层厚度为1.0mm。第66根水冷壁管道存在两处漏点，一处呈圆形爆口，直径为40.0mm，如图1（a）所示；另一处漏点处于爆口位置下方300.0mm处，呈纵向爆口，长度为50.0mm，宽为3.0mm，如图1（b）所示。

图1 水冷壁管道宏观检验

2.2 壁厚检测

由图1可以看出，第66根水冷壁管道的漏点均发生在向火面，利用游标卡尺对水冷壁管道进行壁厚检测，爆口边缘最小壁厚为2.2mm，背火面的壁厚为5.0mm；并且对爆管位置周围10根水冷壁管道进行测厚检查，除明显因爆管、泄漏原因造成的吹损位置，其余位置测厚数据均符合规范要求的最小 壁厚。

2.3 化学成分分析

该热电厂锅炉水冷壁管采用20G钢，水冷壁管材料的化学成分是保证其力学性能和安全使用的前提，因此对第66根水冷壁管进行化学成分分析。分别在距离圆形爆口30.0mm处和距离纵向爆口右侧30.0mm处取样，并对后期新更换的水冷壁管也取样，采用FOUNDERY-MASTERPRO全谱直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。

由表1可知，2个检测试样的化学成分均符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》规范中对20G钢的化学成分标准要求。

表1 水冷壁管化学成分分析结果（质量分数%）

2.4 力学性能测试

从第66根水冷壁管材中提取试样和机械加工试样，采用微机控制的电子万能试验机（UTM5305）和布氏硬度计（TXHB-3000T）对材料力学性能进行测试，结果如表2所示。

根据表2中水冷壁管力学性能分析结果，参照GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》规范中对20G钢的力学性能标准要求。第66根水冷壁管的纵向爆口处试样的硬度和强度未发现明显异常；但圆形爆口处试样的硬度和抗拉强度均不符合规范标准 要求。

表2 水冷壁管力学性能分析结果

3 失效原因分析与讨论

通过对第66根水冷壁管道的宏观检验、壁厚检测、化学成分分析和力学性能测试。结果表明，失效的水冷壁管道出现圆形爆口和纵向爆口，并且在圆形爆口处的硬度和抗拉强度不满足标准要求，并且距离该处37mm处有明显的补焊点；其余的各项指标均满足标准要求。经过核查热电厂运行维修记录发现，在2018年6月曾对第66根水冷壁管道进行补焊维修，从爆口位置检查发现内部有焊接烧穿现象，存在焊接缺陷。

分析认为是由于焊接环节存在错误而形成的烧穿缺陷破坏了焊接部位的均匀连续性，焊接处管壁长时间处于高温的状态下，各部位受热不均匀而形成过大的热应力；通过力学性能试验发现圆形爆口附近部位硬度高、脆性大的特点，当热应力作用于该区域时，无法通过有效的塑性变形释放应力，造成该区域应力集中程度加剧；在运行过程中管道结构应力和附加应力集中导致焊接缺陷扩大和产生局部裂纹，水冷壁泄漏吹损减薄，进一步形成爆口，致使水冷壁失效。

4 结语

锅炉水冷壁管是热电厂重要的机组设备，为了实现锅炉管、蒸汽过热器元件和化工厂转化管等热交换系统的热量传递，需要长时间在高温的环境中运行。因此，锅炉水冷壁极容易由于材料缺陷、热疲劳、氧化、腐蚀、蠕变和焊接等原因，导致出现泄漏和爆管等各种故障，影响整个供电系统的正常运行。为了减少锅炉水冷壁管失效造成的严重后果，对其实施科学合理、实时有效的安全监测是热电厂安全运营管理工作的重要内容。

本文基于某热电厂锅炉水冷壁管泄漏事故进行失效原因探究，发现水冷壁管道焊接质量是影响水冷壁管道使用寿命的主要原因之一，焊接缺陷如咬边、气孔、未熔合、烧穿和裂纹等都是降低焊接质量的直接原因。因此，通过完善焊接工艺，合理选择焊接材料，构建良好的焊接环境，选择X射线、超声波等技术对管道裂纹进行无损检测，及时发现焊接缺陷，提高水冷壁管道的焊接质量，保证热电厂的正常运行。