调峰火电机组金属监督关键问题

张立新

（国家能源菏泽发电有限公司，山东 菏泽 274032）

0 引言

国家大力推进能源清洁化改革，太阳能发电、风力发电装机容量迅速增长，致使电网调峰困难，现役火电机组须提高深度调峰能力以及灵活性［1］。各发电企业深挖机组调峰潜力，努力拓宽大型燃煤机组的调峰范围，调峰成为大型燃煤机组面临的长期任务［2］。机组调峰相对基本负荷机组而言意味着更频繁的负荷变化和启停，对于金属监督部件而言，内部或外部介质压力温度变动频繁，高速转动部件振动加剧，失效过程加速。结合近年来调峰火电机组金属监督工作实践及国内外同行的研究成果，对典型金属监督部件的工作特点、应力分布、失效形式、监督特点予以简析，依据断裂与失效理论对失效案例进行了理论分析，总结得出调峰对火电机组安全性影响的四种基本失效形式：1）热疲劳；2）机械疲劳；3）冲刷减薄、超温、高温腐蚀、氧化皮脱落等；4）厚壁承压部件热疲劳与机械疲劳叠加。通过分析总结，期待为金属监督及防磨防爆工作提供参考。

1 调峰对火电机组安全性影响的理论分析

1.1 热疲劳

调峰机组高温高压部件承受的温度参数变化频繁，频繁变化的温度使金属材料产生交变热应力，交变热应力引起热疲劳。

在弹性范围内，热应力为［3］

式中：K为与约束条件相关的系数；E为弹性模量；a为热膨胀系数；ΔT为热循环温度变化幅度。

由式（1）知，热应力与钢弹性模量、热膨胀系数、热传导系数等物理性能有关。材料一定，钢热疲劳强度取决于材料显微组织、塑性、工作条件。工作条件包括热循环最高温度、最低温度和温度变化幅度ΔT。ΔT决定热应变，故产生一定深度裂纹的循环次数取决于ΔT。材料的热疲劳强度随着ΔT的增加而下降。ΔT不变，平均温度提高热疲劳强度也降低。

1.2 机械疲劳

温度压力变化也会引起管道膨胀收缩、机械振动等，交变机械应力导致机械疲劳裂纹。据部件失效前载荷交变次数的多少，机械疲劳分为低周疲劳（10 000 次以下）和高周疲劳（10 000 次以上）。裂纹源一般位于零件表面的应力集中处和缺陷处。

应力集中在部件机械疲劳失效中起关键作用。引起应力集中的因素通常为［4］：

1）急剧变化的截面：构件中的台阶、管孔、缺口、键槽等。

2）集中力作用：阀门中承受阀芯冲击的阀座、支吊架支撑的管道。

3）材料本身不连续性：大型铸件中的白点、疏松、夹杂、气孔、裂纹；焊接接头材质、组织与母材不同，应力集中于熔合线附近；异种钢焊接接头，焊接缺陷。

4）由于强拉伸、冷加工、热处理、焊接，构件在制造或装配过程中引起的残余应力。残余应力叠加工作应力后，可能出现较大的应力集中。

1.3 冲刷减薄

为了降低发电成本，锅炉一般采用配煤掺烧，烟气中飞灰增加，受热面积灰严重，吹灰频繁，受热面磨损加剧；贫煤和无烟煤的加入使锅炉尾部烟气温度升高，超温、部分管段氧化皮脱落的风险增加，减温水投入频繁；高硫分煤的加入造成炉膛受热面高温腐蚀；为满足环保要求，锅炉采用脱硝系统，发生故障的尿素溶液喷枪会冲刷腐蚀受热面。

1.4 厚壁承压部件

厚壁部件与中薄壁部件相比，残余应力状态改变，厚度方向残余应力加大，疲劳强度、断裂韧度等降低，其运行时内外壁存在较大温差，负荷变化时温差进一步变大，热应力、热应变增加，产生热疲劳。频繁的负荷变化使部件内外壁承受交变拉压应力，交变应力在部件的应力集中处造成机械疲劳。

2 调峰火电机组的金属监督要点分析

2.1 汽包

汽包是自然循环、强制循环锅炉的核心部件。汽包工作压力大、生产过程复杂、结构刚性大、焊缝多，内部存在较大残余应力。机组启停及变负荷运行过程中温度、压力参数快速变化，加上汽包自重、蓄热能力和复杂的内部结构以及各种开孔导致热应力和机械应力更为复杂。

2.1.1 汽包应力概况及主要失效形式

对汽包的应力分析主要针对机械应力和热应力，这两种应力变化幅度最显著。机械应力包括启停过程中的汽压升降及水压试验引起的应力、正常运行下的蒸汽内压力；热应力包括：1）因汽包壁温差产生的稳定热应力；2）个别部位由壁温波动引起的交变热应力［5］。调峰机组启停频繁，工况变动剧烈，汽包在此条件下运行产生交变应力的峰值，超过所使用材料的疲劳极限或者屈服极限，造成疲劳损伤。根据式（1），启停炉的温度变化越快，热应力越大，越容易形成疲劳裂纹。在汽包失效形式中，低周疲劳损伤是汽包的主要失效形式。

2.1.2 汽包低周疲劳损伤的主要监控部位

1）机械应力最大处。美国机械工程师协会（ASME）规范和相关文献［6-7］认为的最危险工作点，是具有最大的机械应力集中系数的汽包纵向截面与下降管接合处内转角，该点应是汽包应力的监测点。

2）热应力最大处。汽包水位线波动处是最大热应力位置［6，8］。

3）焊缝等应力集中处。汽包纵环焊缝、各种连接管座焊缝、结构件焊缝容易产生应力集中，是需要关注的监督部位。

2.1.3 汽包寿命影响因素

汽包的升温率、材料、结构都会对汽包寿命产生影响，应在设计阶段根据汽包所承担的负荷类型优选材料和结构，这是汽包寿命最重要的影响因素。升温率直接影响汽包寿命损耗，已投运的锅炉为达到最佳的经济效益应确定最优的升温率来减小汽包寿命消耗和冷态启动过程总成本［9］。

2.2 高温联箱和管道

2.2.1 环焊缝

厚壁联箱、管道部分或全部焊口安装时须在现场施焊、热处理，对于厚壁联箱、管道，现场去除焊接残余应力比较困难。按现有的热处理规程，在焊接过程中若不采取降低残余应力的措施，不足以将焊接残余应力减小到安全的程度，运行过程中或因应力释放而产生裂纹。裂纹源很可能是焊接缺陷如坡口未熔合、微裂纹等。

环焊缝熔合线附近的粗晶区是焊缝结构的薄弱环节，监督中应着重关注。

2.2.2 管座角焊缝

1）疏水管、仪表管、受热面管。仪表管、疏水管座角焊缝开裂一种情况是因为管系设计不合理，管子膨胀受阻在管座连接焊缝处产生较大的热应力［10］，另一种情况是因为管座焊缝处引出管角变形严重，残余应力过大。

受热面管座在联箱开孔处形成了应力集中区。因联箱壁厚较厚，管座与联箱内壁间的热应力不可避免。若受热面管膨胀受约束，膨胀产生的交变应力作用在角焊缝上会引起疲劳开裂［11］。若介质温度变化频繁，联箱管孔及管座也会发生热疲劳。如图1和图2 所示，高温再热器入口集箱筒体外表及内壁开裂。

2）安全阀管座角焊缝、吊架焊接吊耳。由于受机组启停和安全阀试验等影响，安全阀管座焊缝及其附近容易产生疲劳损坏［12］。如图3和图4所示，过热器向空排汽与再热器安全阀管座焊缝开裂。

吊架部件失效，使联箱膨胀受阻，吊耳在联箱处的角焊缝在交变应力作用下形成裂纹源。

图1 高温再热器入口集箱甲侧管孔间筒体裂纹

图2 高温再热器入口集箱甲侧管孔间筒体内壁龟裂纹（点划线区域）

图3 过热器向空排汽管座裂纹

图4 再热器集汽集箱安全阀管座裂纹

2.2.3 向空排汽管座

若联箱向空排汽管系设计有水平段且管系过长，不排汽时，蒸汽会在管系内壁凝结，凝结水倒流回联箱，在排汽管座处产生交变热应力形成热疲劳裂纹。如图5所示，再热器向空排汽管座内部开裂。

2.3 高温高压阀门和汽缸

电厂高温高压阀门、汽缸结构复杂，壁厚大且不均匀，大多数是铸件。铸件残余应力的释放是一个漫长的过程，最长可伴随服役期。铸件中存在一些如裂纹、疏松、夹砂、气孔、夹渣等原始缺陷引起了应力集中，形成了裂纹源。在蒸汽参数波动以及机组启停过程中，因壁厚原因，汽缸、阀门壳体将产生较大的热应力，该热应力与蒸汽应力、残余应力叠加，促使裂纹扩展失稳。门杆、阀座还承受负荷变动频繁时阀门频繁开关产生的交变机械应力。

高温高压阀门失效的主要形式有：

1）壳体内壁开裂［13-15］；

2）壳体外壁开裂，如图6所示；

图5 再热器向空排汽管座裂纹

图6 主汽门壳体外表裂纹

3）门杆开裂［16］；

4）阀座开裂［17］，硬质合金密封面加速老化，产生裂纹和碎裂；

5）阀门焊缝开裂［18］。

汽缸裂纹产生的部位主要是结合面及缸体应力集中处，如螺栓孔间，尖角处。开裂原因涉及设计、制作工艺、运行等因素。如图7，尚未运行的高压内上缸缸体开裂。

2.4 喷水减温器

2.4.1 喷水减温器损坏的基本形式

减温器喷嘴既承受高温蒸汽加热，又承受低温减温水的快冷，材料易产生热疲劳［19-21］；减温器喷嘴本身的结构问题易产生的机械疲劳［22-23］。再热器集箱连接管弯头开裂［24］、因减温器套筒定位销钉脱落而堵塞高温再热器管造成爆管［25］、因锅炉启动过程中减温水投用不当致使超（超）临界机组锅炉高温炉管内壁氧化皮剥落堵塞而引起的受热面过热爆管［26］等事故频频发生。

如图8 所示，过热器三级减温器喷水管座角焊缝外表面开裂3 处（黑色记号笔标记处）、减温器筒体泄漏。红色虚线显示位置为筒体内部龟裂纹。

2.4.2 喷水减温器损坏的原因

1）减温器结构不合理。因燃煤掺配、锅炉适应性等原因，调峰机组喷水减温器实际使用频率远高于设计预期。悬臂式的喷管较两端固定的喷管，一方面存在热疲劳损坏，一方面有发生共振的可能，此结构寿命偏低。

图7 新高压内上缸缸体外表裂纹

图8 过热器三级减温器裂纹

2）汽温自动控制逻辑存在问题。锅炉过热蒸汽、再热蒸汽汽温调节主要靠自动化高、调节灵敏的喷水减温方式。但根据实际运行情况分析，汽温自动控制逻辑存在很多问题，不能保证机组安全经济运行。应进一步梳理汽温自动控制逻辑，以减小减温水量、有序投入减温水、尽量减少出口蒸汽温差为原则，避免汽温频繁剧烈波动。

3）应考虑对锅炉受热面进行改造。为了机组安全及适应市场竞争，对于设计煤种变动的锅炉，应考虑对受热面、燃烧器等进行灵活性改造，避免负荷上不去、汽温调节手段失效的情况发生。

2.5 汽轮机转子

2.5.1 大轴

汽轮机大轴应力集中部位主要是调速级及汽封处、圆角处。大轴开裂的可能原因有：调峰机组频繁启停，暖机、冷却时间不足，转子热应力加大；机组超速试验时转子离心力加大，使转子裂纹加剧；转子失去动平衡引起机组振动大，长期运行造成金属疲劳，引发转子裂纹；在转子加平衡块过程中，转子处于静止状态，机组需要保持真空，汽封供汽不停，处于静止状态的转子局部受热，膨胀不均匀，产生较大热应力［27］。

2.5.2 动叶片

裂纹源一般位于低压转子末几级动叶片出汽侧的应力集中处，高压转子末级叶片裂纹少见。引起应力集中的因素排除水冲击，可能是叶型设计原因，叶片加工工艺不良［28］，也可能是蒸汽品质不佳造成叶片汽蚀［29］、安装紧力不足导致叶片振动［30-31］、叶片装配时围带间隙太小使叶片与围带的预应力过大造成疲劳［32］、设计原因等。实际中大多数叶片失效原因是以上多种因素综合作用。图9 为330 MW 汽轮机低压反向次次末级动叶片开裂。

图9 低压转子反向次次末级叶片开裂

2.5.3 动叶铆接围带

按结构分，围带主要有装配围带和自带冠围带两种，本节仅讨论动叶铆接围带。

汽机冲转、汽温变化造成动静摩擦、油膜失稳等因素都会引起转子振动传导到围带上；同级叶片膨胀不均引起围带拉压应力；装配时铆钉孔不规则、存在应力集中及紧力过大等会导致围带在运行中释放应力出现裂纹［33-34］。长期运行后围带同铆钉头之间产生间隙，围带同叶顶肩部产生间隙，在工况突变的情况下导致围带脱落［35］。图10 为330 MW 汽轮机低压反向次次末级动叶围带开裂。

图10 低压转子反向次次末级动叶围带开裂

2.6 受热面

调峰机组锅炉除了启停频繁、负荷波动大容易引起应力集中处疲劳损坏外，还存在燃料掺烧后受热面超温和高温腐蚀的风险。

2.6.1 带鳍片的受热面

如隔墙省煤器、膜式水冷壁、包覆（墙）过热器等，在出入口联箱处垂直的管子因鳍片约束膨胀不畅，近联箱侧管子端部与鳍片间的焊缝存在应力集中，在交变膨胀应力作用下造成疲劳损坏；锅炉风道与水冷壁的焊接处、冷灰斗四角位置的水冷壁、包墙管的人孔门与各类开孔部位、炉顶穿墙无套管保护的蒸汽管，也存在膨胀撕裂的可能。

2.6.2 蒸汽吹灰、脱硝喷枪影响区域

吹灰频繁、吹灰器故障无法退出运行会造成受热面过度吹损；脱硝喷枪故障后液体泄漏会造成影响区域的省煤器、水冷壁及包墙过热器、再热器冲刷腐蚀，图11 为被尿素腐蚀减薄后泄漏的高温再热器弯管。

图11 被尿素腐蚀减薄后泄漏的高温再热器弯管

2.6.3 高温腐蚀处

高硫分燃料易引起水冷壁、屏式过热器、高温过热器和高温再热器等部位的高温腐蚀。腐蚀后的受热面壁厚减薄、应力增大，产生蠕变后管壁进一步变薄，最终爆管。

2.6.4 氧化皮脱落

超（超）临界机组锅炉在运行中存在氧化皮脱落堆积现象。氧化皮脱落会造成所在管段热循环变差或中断，造成超温。原因是设计时对此类材料抗氧化许用温度选用裕度不足、制造工艺不当、运行时超温及汽水品质不良等［36］。

2.6.5 超温管段

燃料掺烧、深度调峰后受热面超温概率提高。特别是低熔点燃料的飞灰在受热面结焦后也会造成受热面超温。受热面长时超温与短时超温都会引发爆管事故，应加强对受热面温度的监控、记录，必要时改造受热面。

2.6.6 相互接触和摩擦部位

屏式过热器管卡（梳形板、固定管排的管子）处、炉顶穿墙管、受热面与悬吊管接触处等，在负荷变动时会有相对摩擦碰撞，防磨防爆检查时应着重关注。

2.6.7 壁式再热器

壁式再热器设计不良，没有充分考虑管排膨胀受阻的情况，膨胀受阻后在固定钢板及壁再管排间固定焊缝等应力集中产生较大的膨胀应力，进而撕裂壁再管。

2.7 吸（引增合一）风机

引风机振动超标是运行中常见的故障现象，振动超标会引起电机电流过大、轴弯曲、轴承损坏、机壳和风道系统被破坏等严重问题。风机设计制造不良、基础不牢下沉、安装问题、叶片积灰、叶片磨损、轴承损坏、电机故障、引风道系统振动等都会造成风机振动超标［37］。导叶片根部、轴承下支撑焊缝等应力集中部位经常因风机振动过大而开裂。图12 中白色反差剂所示为引增合一风机转子组支撑轴瓦及支撑板焊缝开裂区域。

图12 吸风机转子组支撑端瓦及支撑板焊缝开裂

2.8 高温紧固件

调峰机组高温紧固件受到频繁的交变应力作用。除工作应力外，检修时的不当拆卸如大锤冲击、乙炔火焰烘烤、超温的电加热都会对螺栓造成不可逆的损坏：大锤冲击会造成螺栓外部受损，形成应力集中；失控的加热会造成螺栓组织性能变差。这些损伤在机组调峰时形成安全隐患。高温紧固件常见失效位置有：螺栓栽丝端第2～3 圈、螺栓腰部、螺栓加热孔内部、经火焰烘烤的螺母。

3 结语

调峰机组启动频繁、负荷波动大，金属监督部件更易发生热疲劳、机械疲劳、吹损、腐蚀、过热等损伤，失效加速。

在机组运行中应保持参数平稳，按温升曲线控制增减负荷的速度，严格控制重要监督部件的温差；尽可能减少锅炉的灭火次数及变负荷调峰和启停调峰次数；金属监督和受热面防磨防爆工作中做到有针对性，建立监督部件数据库，列出重点检查部位计划，缩短检查周期，做到检查部位全覆盖；建设金属监督大数据，形成系统内乃至全国统一的数据云平台，达到信息共享、互通有无的目的。