直流锅炉水冷壁管连续爆管分析

赵永宁，邵明星，刘蕊，邱玉堂

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.华电龙口发电有限公司，山东龙口265700）

·经验交流·

直流锅炉水冷壁管连续爆管分析

赵永宁1，邵明星1，刘蕊1，邱玉堂2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.华电龙口发电有限公司，山东龙口265700）

对超临界机组直流锅炉水冷壁管连续爆管泄漏进行宏观分析、金相组织分析、机械性能检测和X射线衍射检测，原因为异物堵塞过热爆管泄漏；深入分析了超临界机组直流锅炉水冷壁管异物产生的原因，提出传统的检修工艺对超临界直流锅炉不利影响的预防措施。

直流锅炉；水冷壁；连续爆管

1 概述

某厂2号机组为600 MW超临界发电机组，锅炉型号为HG1913／25.4／571／569-YM3，是引进英国技术生产的超临界参数变压运行燃煤直流锅炉，锅炉采用∏型布置、单炉膛、低NOx轴向旋流燃烧器前后墙对冲燃烧、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，2007年8月投运。

炉膛为全焊接密封膜式水冷壁，由下部螺旋环绕上升水冷壁（简称螺旋管圈）和上部垂直上升水冷壁（简称垂直管屏）两个不同结构型式组成，标高46.659 m以下为倾角17.89°的螺旋管圈，标高46.659 m以上为垂直管屏；螺旋管圈与垂直管屏之间由过渡集箱转换连接，螺旋管圈从上部进入过渡集箱，垂直管屏屏从过渡集箱中部连接。锅炉后墙过渡集箱分左右集箱，每个集箱联接63根螺旋管和191根垂直管屏。

下部螺旋管圈管材及规格为15CrMoG，φ38mm× 6.5 mm，上部垂直管屏管材及规格为15 CrMoG， φ31.8 mm×5.5 mm；后墙螺旋上升水冷壁管出口温度371℃，压力21.6 MPa。

2013年7月8日和2013年7月14日，锅炉连续两次发生后墙水冷壁爆管泄漏。

2 爆管检测情况

2.17 月8日水冷壁爆管情况

机组从2013年5月8日开始大修，检修期间对锅炉燃烧器进行改造，更换为低氮燃烧器，改造后燃烧中心上移1.5 m；加上其他换管，下部螺旋管圈水冷壁管共处理400多个焊口，机组启动前对水冷壁管进行酸洗。

锅炉于7月2日开始点火启动，2013年7月8日后墙水冷壁发生爆管泄漏，因其他原因，机组最高负荷只达到404 MW。

检查发现，后水左数第100根、第178根垂直管屏向火面爆管泄漏，爆口部位标高48.5 m（过渡集箱上部）。

后水左数第100根垂直管屏爆口长82 mm，宽30 mm，从鳍片焊缝管子侧熔合线处沿轴向爆开；爆口中心处背火面厚度6.0 mm、向火面厚度3.9 mm；爆口端部向火—背火方向外径胀粗量20.44%；距爆口端部上300 mm处向火—背火方向外径胀粗量7.55%；距爆口端部下150 mm处向火—背火方向外径胀粗量12.58%。

后水左数第178根垂直管屏爆口长50 mm，宽18 mm，爆口位管子中心沿轴向爆开，两端分别有70 mm长裂纹，爆口中心处背火面厚度5.8 mm、向火面厚度4.4 mm，如图1所示；爆口端部向火—背火方向外径胀粗量15.09%；距爆口端部上300 mm处向火—背火方向外径胀粗量6.29%。

后水左数第101根、第179根垂直管屏也有明显胀粗，在爆口高度，左数第101根向火—背火方向外径胀粗量5.35%。

2.27 月15日水冷壁爆管情况

2013年7月14日锅炉点火启动，7月15日后水发生爆管泄漏；机组最高负荷只达到398MW，后墙螺旋上升水冷壁管出口温度381℃，压力21.7 MPa。

检查发现，后水左数第53根垂直管屏向火面爆管泄漏，爆口部位标高48.5 m，爆口位于管子中心沿轴向爆开，爆口边缘厚度3 mm，如图2所示。

图1 左数第178根后水冷壁垂直管屏爆口

图2 左数第53根后水冷壁垂直管屏爆口

对现场宏观检查发现颜色异常的水管进行射线检查，左数第104、108根管弯头存在异物，其中左数第104根管弯头内异物几乎全部堵塞。割管检查，左数第104根管弯头内异物约25 g，异物呈泥状加片状，全部为铁磁性物质，如图3所示；左数第108根管弯头内有较少泥状加片状异物。对水冷壁管进行检查，又发现共33根水冷壁颜色异常，如图4所示。2.3金相分析

图3 左数第104根后水冷壁垂直管屏弯头内异物

图4 炉膛内水冷壁垂直管屏颜色异常管

后水左数第100根、第178根垂直管屏爆管，向火面组织为完全淬火的针状马氏体，属于相变组织；背火组织为不完全淬火的针状马氏体和铁素体，属于不完全相变组织；左数第178根爆管向火面组织中产生沿晶裂纹，如图5所示。

爆口标高处，后水左数第101根向火面组织为针状马氏体和铁素体，是完全相变组织，如图6所示，背火面为正常的铁素体和珠光体组织。

后水左数第100根、第178根爆口上部300 mm处，向火面组织为针状马氏体和铁素体，是完全相变组织，如图7所示，背火面为正常的铁素体和珠光体组织，如图8所示。

爆口上部300mm处，炉后水冷壁左数第179根，向火、背火面组织为正常的铁素体和珠光体组织。

图5 左数第178根爆口处向火面组织

图6 左数第101根向火面组织

图7 左数第178根向火面组织

图8 左数第178根背火面组织

2.4硬度检测

后水左数第100根、第178根向火面平均布氏硬度为302～332 HBS，向火面与鳍片间过渡区平均硬度为255～271 HBS；背火面平均硬度177～181 HBS。

后水左数第101根在爆口高度处，以及后水左数第100根和第178根爆口300 mm上部的向火面平均硬度为241～255 HBS。

正常组织区域平均硬度144～148 HBS。

2.5 常温机械性能检测

机械性能试验试样均取于爆口上部350 mm处，因管子直径较小，只能从向火面和背火面各取一根试样。

左数第100根爆口上部向火面样品抗拉强度（Rm）为735 MPa，左数第178根爆口上部向火面样品抗拉强度（Rm）为800 MPa，超过GB 5310—2008标准上限（15 CrMoG钢抗拉强度440～640 MPa）。

2.6 X射线衍射检测

后水冷壁管（左数94、104根）内壁氧化产物的主要物相为Fe2O3、Fe3O4及少量Fe（非晶物相不能检出）。

3 分析讨论

后水左数第100根、第178根垂直管屏向火面爆管泄漏，爆口部位标高48.5 m，爆口中心处向火面厚度3.9～4.4 mm，表现出一定程度的脆性。

爆口端部外径胀粗量15.09%～20.44%，后水是鳍片管，所以管子胀粗主要发生在向火—背火方向；爆口上下部分管子均发生较大的胀粗。后水左数第100根、第178根垂直管屏爆口及上下部分管子均发生较严重的胀粗，表明管子过热严重。

后水左数第101根、第179根垂直管屏也有明显胀粗，外径最大胀粗量为6.29%，爆管附近管子也存在过热。

后水左数第100根、第178根垂直管屏爆管，向火面组织为完全相变组织，背火组织为不完全相变组织，且第178根管向火面组织中产生沿晶裂纹。后水左数第100根、第178根爆口上部300 mm处，向火面组织为完全相变组织。向火面金相组织出现相变组织，且组织中产生沿晶裂纹，背火面金相组织也出现不完全相变组织，说明后水冷壁爆管发生短时过热组织转变［1］，向火面相变温度超过15 CrMoG的 Ac3温度（845℃），背火面相变温度超过15 CrMoG的Ac1温度（745℃）［2］。

后水左数第101根在爆口高度处，以及后水左数第100根和第178根在爆口上部300 mm处的向火面组织均出现完全相变组织，和爆口向火面与鳍片间的过渡区组织相类似，相变温度超过15 CrMoG的Ac1温度（745℃）；背火面为正常的铁素体和珠光体组织。

硬度检测结果与金相组织结果基本一致。

常温机械性能检测结果，左数第100根和第178根爆口上部向火面样品抗拉强度超过GB 5310—2008标准上限（15 CrMoG钢抗拉强度440～640 MPa），表明管子存在严重过热，发生严重的组织相变，爆管后形成针状马氏体淬火组织，有较高的强度。

由于管子存在严重过热，爆管后形成针状马氏体淬火组织，管子材料脆性增加［2］；水冷壁管的鳍片结构和小管径结构，对管子的快速塑性变形形成拘束，所以爆管表现为脆性。

机组抢修时，对宏观检查后水管子颜色异常的管子进行射线检查，检查发现过渡集箱上左数第104、108根垂直管屏弯头存在异物（标高47 m），其中左数第104根管弯头内异物几乎全部堵塞。割管检查，左数第104根管弯头内异物约25 g，异物呈泥状加片状，全部为铁磁性物质；左数第108根管弯头内也有较少泥状加片状异物。

2号机组自2007年8月投产以来，锅炉水冷壁管没有出现过问题；2013年5月8日机组进行大修，对锅炉燃烧器进行改造，更换为低氮燃烧器，加上其它换管，下部螺旋水冷壁管共处理了400多个焊口，因此引起水冷壁爆管的堵塞异物是今年机组大修中造成的可能性最大。

2013年大修中只对下部螺旋水冷壁管进行处理，中间过渡集箱以上没有改动；由于中间过渡集箱的结构，重量较大的异物不容易到达垂直管屏弯头［3］；引起水冷壁爆管的弯头内堵塞异物，呈泥片状，全部为铁磁性物质，颗粒细小，也是很好的证据。

机组启动前对水冷壁管进行酸洗，根据酸洗的工艺，酸洗水溶液经分离器进行循环，酸洗水溶液水位应该远高于过渡集箱上垂直管屏弯头，酸洗不容易造成垂直管屏弯头异物沉积堵塞。该厂1号机组水冷壁管于2012年大修后也进行酸洗，没有出现异常。

检修中对锅炉燃烧器进行改造，更换为低氮燃烧器，改造后燃烧中心上移1.5 m，从而可能有利于异物在垂直管屏弯头内沉积堵塞。

对水冷壁管进行检查，又发现共33根水冷壁颜色异常，基本都集中在后水，所以后水内介质流动阻力不同于其他三面墙，也是后墙左右联箱对应垂直管屏弯头内沉积堵塞的一个影响因素。

4 结语

根据检验结果和分析，锅炉后水管爆管原因是由于弯头内异物堵塞，导致后水爆管发生短时过热组织转变，相变温度超过15 CrMoG的Ac3温度（845℃），发生短时过热爆管。同时大量水管，由于弯头内异物堵塞，发生过热导致水冷壁颜色异常。造成堵塞异物的原因可能是传统的检修工艺切割管子产生切屑，在检修、运行中沉积于弯头处［4］。

建议加强机组检修监督，防止传统的检修工艺对超临界直流炉的不利影响；锅炉启动前采取措施，对垂直管屏弯头内异物进行清理，如大流量冲洗；对锅炉燃烧器进行改造后锅炉的燃烧进行深入分析。

［1］赵永宁，邱玉堂.火力发电厂金属监督［M］.北京：中国电力出版社.2007.

［2］姜求志，王金瑞.火力发电厂金属材料手册［M］.北京：中国电力出版社.2004.

［3］王志刚，雷兆团，张广才.超临界600 MW机组直流锅炉动态特性研究［J］.热力发电，2010，39（9）：14-20.

［4］王春昌.水冷壁流量偏差及其超温爆管［J］.热力发电，2007（10）：30-32.

Analysis on Leakage of Once-through Boiler Water Tube

ZHAO Yongning1，SHAO Mingxing1，LIU Rui1，QIU Yutang2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Huadian Longkou Power Generation Co.，Ltd.,Longkou 265700，China）

Tube leakage of once-through boiler water tube wall in supercritical units is analyzed by means of macrostructure，metallographic，mechanical properties and XRD detection.It is concluded that the tube leakage is caused by overheating which is due to foreign bodies block.On the basis of thorough analysis and research on the causes of foreign body into supercritical once-through boiler，some preventive measures are proposed to reduce the adverse effect of traditional repair technology.

once-through boiler；water wall；tube leakage

TK227

B

1007－9904（2015）08－0043－04

2015-05-21

赵永宁（1962），男，高级工程师／教授，从事火力发电厂金属材料分析研究工作。