循环流化床锅炉屏式过热器拉裂原因分析及预防

陈永生

（福建华电电力工程有限公司 福州 350003）

大型循环流化床锅炉炉膛内广泛使用屏式受热面,以维持合理的床温和炉膛出口温度,结构多为L型,下部穿过前墙水冷壁与前墙集箱连接,上部穿过顶棚水冷壁与炉顶集箱连接,整个受热面自下向上膨胀。屏式受热面双面曝光受热,壁温较水冷壁高很多,因此与水冷壁之间存在膨胀差,同时,屏式受热面同屏管子之间受集箱效应、流程差异、炉膛内温度分布差异等影响,水侧和烟气侧也存在较大热偏差[1-2],因此,若膨胀系统设计、安装不当,受热面膨胀受阻,容易发生变形,而随着循环流化床锅炉容量和参数的提高,受热面管屏增长,刚性和稳定性更差,弯曲变形更加普遍,管子拉裂爆漏也更常见。

某电厂2台循环流化床锅炉2020年上半年集中出现屏式过热器管拉裂,电厂对拉裂爆漏管段取样进行失效分析,并根据分析结论进行了相应的整改,区域公司技术中心专家到现场跟踪指导,对屏式过热器拉裂问题进行更深入地检查和分析,提出进一步防范措施,以杜绝管子拉裂发生。

1 设备概况

某电厂三期#5、#6锅炉为300 MW亚临界、循环流化床燃烧锅炉,由1个膜式水冷壁炉膛、3台汽冷式旋风分离器和1个由汽冷包墙包覆的尾部竖井3部分组成。炉膛内前墙布置有12片屏式过热器管屏、6片屏式再热器管屏,后墙布置2片水冷蒸发屏。屏式过热器为L型,水平段往炉后向上5e倾角,管子间通过固定块连接,垂直段为膜式结构,管子规格φ51 mm×8 mm,除#6锅炉第5屏、第8屏外,其余管子材质均为12Cr1MoVG,#6锅炉第5屏、第8屏管材因投产初期超温泄漏等因素升级为T91,在屏式过热器下部转弯区域范围内设置有耐磨耐火材料。

2 2020年上半年拉裂情况

1）2020年1月,#5锅炉检修中发现屏式过热器第2屏第1根管（简称2-1管,以下同）、9-2管水平段固定块部位拉裂。

2）2020年5月,#6锅炉调停过程出现屏式过热器3-1管弯头内弧侧销钉部位拉裂爆漏,检修中发现9-1管弯头内弧侧销钉部位拉裂。

3）2020年6月,#6锅炉调停过程出现屏式过热器7-1管弯头内弧侧销钉部位拉裂爆漏,检修中发现2-1管、6-1管、10-1管、12-1管弯头内弧侧销钉部位拉裂。

3 电厂进行的原因分析及采取措施

3.1 爆口管段分析

对2020年6月爆漏的#6锅炉屏式过热器7-1管弯头爆口管段分析：

1）宏观检查,爆口部位销钉与管子连接为局部点焊,泄漏口在焊点的对侧,由外壁销钉根部起裂,并逐渐向内扩展直至贯穿管壁,弯头内弧侧泄漏部位附近发现大量具有疲劳特征的裂纹（见图1、图2）。

图1 弯头内弧侧爆口处宏观形貌

图2 爆口及其附近裂纹的截面形貌

2）光谱分析、室温拉伸和布氏硬度试验,主要化学成分、材料性能、硬度均符合标准要求。

3）管样弯头内弧侧、外弧侧以及泄漏口附近的金相组织检测,均为铁素体+珠光体+贝氏体组织,球化均为3级；对泄漏部位附近裂纹进行金相观察,裂纹内均填满氧化物,说明裂纹形成及扩展历经较长时间。

4）综合宏观检查、金相检测及试验等分析结果,该泄漏口为疲劳开裂,与销钉的局部点焊方式有较大关系,在焊点对侧存在应力集中区,在交变应力作用下萌生微裂纹并迅速扩展。

3.2 交变应力产生原因分析

1）与该部位的结构有关。定位块及第1个弯头内弧侧销钉等部位焊缝复合应力大,同时外部耐磨耐火材料通过管子外壁焊接大量销钉和浇注方式固定,与管子结合较为紧密牢固,进一步限制了管子定位块、弯头等部位的自由膨胀,管屏受热膨胀应力无法释放。

2）与机组频繁深度调峰有关。2019年3月以来2台机组频繁参与深度调峰,负荷在白天70%以上负荷和夜晚40%负荷间频繁升降,管子频繁发生热胀冷缩。

3.3 采取措施

1）对第1根管下部弯头部位进行换管处理,取消弯头部位销钉,以保证其能够自由膨胀。

2）割开第1～4管之间水平段连接的固定块。

3）尽量降低深度调峰频次,负荷调整过程严格控制温变率。

4 问题的提出

为彻底解决循环流化床锅炉屏式过热器拉裂问题,区域公司技术中心专家到现场进一步调查,在现场检查、资料查阅、与技术人员沟通基础上,认为有2个方面需做进一步分析。

1）查阅现场图片,#6锅炉屏式过热器弯头内弧侧销钉部位拉裂的管子的固定块均已在之前检修中割除,且7-1管水平段已更换过（见图3）。查看设备检修记录,7-1管在2016年2月锅炉水压试验时出现固定块部位泄漏进行换管处理。那么,采取取消第1根管弯头销钉和第1～4管之间固定块改造措施后,是否还存在其他拉裂泄漏隐患？

图3 #6锅炉屏式过热器7-1管

2）将检修割除下来的第1根管弯头中内弧侧发现裂纹的弯头与未发现裂纹的弯头进行比对,一个很明显的特征是发现裂纹的弯头角度变化不大,接近设计角度95°,而出现裂纹的弯头均发生塑性变形,明显张开,弯头角度在110°～120°,那么,这种情况是如何产生的？

5 进一步检查分析

5.1 屏式过热器结构检查

1）屏式过热器进、出口集箱及管道布置。进、出口集箱上采用带柔性弯的连接管与母管相连,母管向锅炉左、右侧引出至两侧管道,母管设有导向装置,热膨胀量通过管道加柔性弯和冷紧的方法吸收,因此排除集箱膨胀和管道推力方面因素对管屏向上自由膨胀的影响。

2）屏式过热器顶部膨胀节及恒力弹簧吊架。#5、#6锅炉部分耐高温金属膨胀节存在变形严重情况,无法满足管屏向上自由膨胀,另外部分拉杆未松开,拉杆或端板根部一次性拉断,说明承受的拉应力不小。部分恒力弹簧吊架冷态时指标销在上限位,无预紧力,无法吸收管屏的向上位移。当热态管屏无法向上自由膨胀时,容易产生变形,当管屏变形后,在机组运行中整体应力将进一步加大。

3）上部垂直段。上部垂直段为膜式结构,裸露在外,因此可以通过变形来释放应力,爆漏的#6锅炉第7屏上部垂直段变形十分严重,呈“S”弯,其余下部弯头发现裂纹的上部垂直段也呈现不同程度的“S”弯。管屏变形,管子在炉内的长度增长,循环物料的流动发生改变,内部工质流动阻力也加大,壁温有所增加,同等负荷变化情况下管屏的膨胀收缩量更大。

4）下部水平段及弯头部位。屏式过热器下部水平段与前墙水冷壁的穿墙密封采用固定结构,为膨胀死点,炉内水平段及弯头部位外包裹耐磨耐火材料,为减轻应力集中,未采用鳍片整体焊接,管子间焊有固定块,因此,下部管屏受热膨胀应力无法释放时,应力主要集中在固定块焊缝部位,内侧管子短和弯头曲率半径小,整体应力就更集中,拉裂首先发生在最内侧几根管子间固定块焊缝部位,当固定块割除后,相应管子弯头部位就成了应力集中部位,弯头内弧侧销钉取消后,只是消除了弯头一个主要的薄弱部位,因外部约束未消除,弯头部位集中应力仍然较大,#6锅炉屏式过热器第4屏、第6屏耐磨耐火材料在弯头内弧侧开裂特征也在一定程度上反映了弯头部位的受力情况（见图4）。

图4 #6锅炉第6屏内弧侧部位耐磨耐火材料开裂

5.2 比对分析

查阅#5、#6锅炉设备台账,投产以来屏式受热面拉裂问题均发生在屏式过热器管屏上,而同为L型的屏式再热器未出现过,进行比对分析如下：

1）管子材质及规格不同。屏式再热器管子材质为T91,规格为φ76 mm×6 mm,屏式过热器除#6锅炉第5屏、第8屏管子材质为T91外,其余材质为12Cr1MoVG,规格均为φ51 mm×8 mm,而#6锅炉第5屏、第8屏也未出现过拉裂问题。查阅资料,钢材从20 ℃ 到550 ℃温度的平均线性膨胀系数,T91为12.4（10-6/℃）,12Cr1MoVG为14.6（10-6/℃）[3-4],同等温升温降情况下,12Cr1MoVG材料的膨胀或收缩量更大；钢材450 ℃、500 ℃、550 ℃高温规定塑性延伸强度,T91分别不小于337 MPa、306 MPa、260 MPa,12Cr1MoVG材 料 不 小 于211 MPa、201 MPa、187 MPa[5],同等温度条件下T91强度更高。

2）管屏尺寸不同。屏式再热器垂直段长度为18 020 mm,内侧水平段为3 192 mm,管屏宽度为3 738 mm,屏式过热器垂直段为20 850 mm,内侧水平段为2 922 mm,管屏宽度为3 556 mm,因此屏式再热器更加“矮胖”,刚度更大,在炉膛中的位置更高,受炉膛温度变化影响更小。

3）汽温主要调节方式不同。屏式再热器是最后一级再热器,汽温调节主要靠烟气挡板控制低温再热器出口温度,而屏式过热器为中间级过热器,过热器调节方式为一级、二级减温水控制下一级过热器进口温度,因此负荷升降时屏式再热器汽温变化更小且更平缓,壁温升降速率也更小。

4）布置形式不同。为保证蒸汽的质量流速,屏式过热器串联布置,进、出口集箱均在炉顶,6屏由上向下,6屏由下向上,蒸汽流量偏差较大,屏式再热器并联布置,进口集箱在下部前墙,出口集箱在炉顶,6屏由下向上,蒸汽流量偏差相对较小[6]（如图5所示）。

图5 屏式过热器与屏式再热器布置形式

5.3 运行工况分析

查阅2019年3月以来#5、#6机组深度调峰较频繁时的负荷曲线,每日大致类似,在40%～70%负荷间变化,而屏式过热器为辐射式受热面,在低负荷时,吸收辐射热的份额增加,同时,蒸汽质量流速降低,导致屏式过热器出口蒸汽温度普遍高于满负荷,甚至造成管壁过热,一般最高壁温出现在锅炉60%～70%负荷[7-8],此时管屏的膨胀量接近最大范围,强度接近最低。

5.4 交变应力作用分析

管屏热位移无法通过膨胀节及支吊架释放,管屏发生变形,刚度下降,管子在炉内的长度增长,同等负荷变化情况下管屏膨胀收缩量与水冷壁的差异更大,当机组启动或升负荷时,膨胀量差异大造成垂直段变形加大,弯头内弧侧存在较大压应力,当机组停运或降负荷时,收缩量差异大造成一端为膨胀死点的管屏水平段不能与垂直段同步向上收缩,造成弯头角度变大和内弧侧存在较大拉应力（如图6所示）。机组频繁参与深度调峰,管子频繁热胀冷缩,弯头内弧侧产生明显的疲劳裂纹,而内弧侧销钉焊点对侧应力最集中,裂纹最先萌生且扩展最迅速,最先贯穿,当弯头销钉取消后,内弧侧部位的疲劳裂纹的扩展速度有所减小,但终会贯穿,而2台锅炉屏式过热器拉裂问题大多数是在停运检修时发现,说明锅炉熄火后冷却过程中管屏持续存在较大的拉应力。

图6 深度调峰过程中弯头处的交变应力示意图

5.5 调查结果分析

1）屏式过热器存在炉顶穿墙膨胀节变形、集箱恒力弹簧吊架失载等问题,导致管屏无法自由向上膨胀。

2）从屏式过热器管拉裂、炉顶膨胀节部分拉杆及端板根部一次性拉断等情况分析,管屏存在的热膨胀应力比较大,只要这种热应力未有效释放,还会对弯头或其他薄弱环节造成损伤。

3）屏式再热器与屏式过热器相比,管子更加“粗大”,管屏更加“矮胖”,材料线性膨胀系数更小和强度更高,工况变化时温变率更小,蒸汽流量偏差相对更小,管子拉裂隐患少,因此屏式过热器管材料升级等针对性改造,有利于防止管子拉裂。

4）机组频繁参与深度调峰,管子热胀冷缩,容易热疲劳,而管子拉裂大多数是在停运检修时发现,说明锅炉熄火后冷却过程中管屏持续存在较大的拉应力,因此,锅炉熄火后仍需注意控制受热面管壁温度下降速率。

6 进一步采取的措施

1）对炉顶上部变形严重的膨胀节及相应的穿墙密封结构进行更换,对恒力弹簧吊架进行重新校核、调整。

2）对管屏水平段管子间的固定方式或固定块型式进行优化,消除因管子间膨胀不一致应力集中造成的对管子的拉裂。

3）优化弯头部位的耐磨耐火材料固定方式,取消弯头及两端一定范围内的销钉,保证弯头部位有一定的柔性。

4）结合机组灵活性改造时机对管屏进行整体升级改造,改造时应根据现有掺烧煤种情况对膨胀量进行重新计算。

5）严格控制机组启停及升降负荷速率,根据锅炉各受热面管壁温度变化情况优化锅炉熄火后的各项操作和闷炉时间。

7 结论

1）该电厂屏式过热器拉裂除与定位块及第1个弯头内弧侧销钉等部位焊缝集中应力因素有关外,还与炉顶穿墙膨胀节变形、集箱恒力弹簧吊架失载、下部转弯区域耐磨耐火材料限制等导致管屏无法自由膨胀有直接关系。

2）频繁深度调峰交变应力作用是导致屏式过热器疲劳拉裂的重要因素,但随着风力、光伏等新能源发电大规模投产、并网,调峰缺口将迅速扩大,提高调峰能力是趋势,针对设备状况进行机组灵活性改造是解决当前矛盾的一种途径。

3）对锅炉部件失效分析,必须了解锅炉相应部件的设计资料和运行工况,掌握部件的特点、失效模式等,制定全方位防范措施,以保证锅炉运行的可靠性。