基于燃气电厂余热锅炉疏水管爆管失效研究

张保山

（国能国华（北京）燃气热电有限公司，北京 100024）

以我国某个燃气电厂的余热锅炉为例，该锅炉配二拖一蒸汽轮机，从2016 年开始进行投运，最近一段时间，监盘工作人员发现该锅炉高压给水流量异常，进行检查，发现零米烟道有异常声音存在，有蒸汽在模块下部冒出。停机后发现疏水管爆裂，该疏水管的规格为φ60mm*5mm，材质为20G。温度为321℃，压力为10.56MPa。

1 余热锅炉技术

1.1 螺旋鳍片管束换热计算方法

在余热锅炉中，燃气轮机排烟温度在500～600℃之间，通常烟气和汽水介质换热温压要低于锅炉，为了布置紧凑，节省钢材，受热面采取螺旋鳍片管来替代光管。

在锅炉性能设计中其热力计算是非常重要的，而受热面的多少是对热效率、参数以及锅炉出力的根本保证。目前，我国对于螺旋鳍片管的换热计算还没有标准的方法，对于锅炉热力计算采取的是国外方法，但是在实际的应用当中存在局限性。一方面是结构参数，另一方面对于燃气轮机换热计算差异不能充分体现。

1.2 烟气流动特性

燃气轮机速度高，排烟量大，速度场和温度场不均匀，这样的气动热力特点，会使得余热锅炉不均匀的传热导致结构发生破坏。国外维修锅炉问题有些出现在入口烟道，烟道护板泄漏，大块护板脱落。对于余热锅炉引排烟进入锅炉个体，所以需要对入口烟道的尺寸以及形态进行优化设计，随着烟道断面以及容量扩大，研究烟气流动性十分必要。

我国有些厂家对入口烟道流动特性进行模拟，能够得到压力场、温度场以及速度场的分布情况，对入口烟道的结构不断的进行优化。此外，对于烟道形状特性还可根据冷态空气动力装置来进行校核。

1.3 余热锅炉适应快速启动特性

燃气轮机的冷天启动只需要20min，为了使得机组对快速启动进行适应，多采取单轴以及无旁路烟道循环布置，对于余热锅炉需要有快速启动的特性。主要在余热锅炉的护板、烟道、螺旋鳍片管束以及锅筒等结构上进行反映。

因为余热锅炉蒸汽压力比较低，在启动中升压以及升负荷比较快，锅筒会涌入很多汽水。所以，余热锅炉锅筒的容量以及直径要更大。对于锅筒水位变化在启动中进行适应，汽水分离装置采取水下孔板，对于锅筒水位计要有保护水位、报警水位的要求。螺旋鳍片管束要采取热惰性小、管壁薄以及小管径材质，对于锅炉的护板以及烟道结构也要尽可能的对热惯性进行减少，以此来对快速启动进行适应。锅炉烟道大部分采取的是非金属软性膨胀节，机组越大，快速启动要求就越高。

1.4 优化热力系统参数

余热锅炉热力系统具有低压汽水系统与多压的过热蒸汽系统。而对于余热锅炉的排烟温度，接近点温差以及窄点温差也要合理的进行确定。对于蒸汽轮机和锅炉的热力参数的选择需充分的进行优化，以此来获得蒸汽轮机的最大热效率以及功率，对于机组的投资也要尽可能地进行降低。

1.5 余热锅炉结构

对于锅炉的性能和其结构设计有着很大的关系，需要足够的重视。通过实践能够表明，锅炉结构问题是很重要的，因此需要不断的进行改进以及完善。而设计对大型锅炉的国外相同产品结构进行借鉴。

1.6 其他先进技术

在联合发电中，当汽轮机或者是热电联供发电功率比排烟能量大时，余热锅炉可采取补燃技术。排烟中含氧量达到17%，多采取管道隔栅式补燃装置对锅炉进行补燃。为了对排放指标降低，提升环保要求，在余热锅炉中安装的有还原装置以及降低NOx排放催化剂系统。

2 失效部位的宏观特征

在疏水管的竖直管段发生爆漏，该段撕裂为上下部爆口，中间铁片。爆口边缘没有毛刺与剪切唇等变形，在铁片表面能够看到很多轴向裂纹，这和长期过热的情况是相符的。疏水管的规格为φ60mm*5mm，管胀粗明显，最严重达到了71.2mm，胀粗量达到了外径的19%，胀粗管段离爆口越近越明显。

3 分析材质成分

从水平管和爆口进行取样，根据全谱直读光谱仪来分析化学成分，结果如下表1 所示。取样管材质正常，和GB/T5310-2008 文件中的20G 钢标准中的要求相符。

表1 成分分析

4 金相组织分析

对铁片取样进行分析，根据DL/T674-1999 文件中的评级标准，来对该组织的球化进行分级，该区域组织完全球化，达到了5 级。在距离爆口大约50cm 处进行金相取样，该区域组织轻度球化，级别为2.5 级。

在有着明显胀粗的部位进行取样，该区域组织中度球化，级别为4.5 级。竖直管下弯头为中度球化，级别为4 级。

有很多黑色块状相存在爆口的附近，根据能谱分析结果如下表2 所示，该区域的碳含量达到了96.71%，由此能够确定，石墨化发生在该区域，根据DL/T786 文件中的标准，对该区域的石墨化判定为轻度。

表2 能谱分析结果

另外，各部位的氧化皮厚度从水平段到竖直段弯头较为均匀，内外壁氧化厚度在51～89μm 之间，取纵向爆口试样，材质中没有明显的夹杂物。

5 力学性能测试

5.1 硬度试验

分别采取爆口试样A、B，以及竖直与水平管段试样进行硬度测试，结果如表3 所示。爆口部位硬度比其他的部位要高，可推断该区域在爆裂时发生变形导致加工硬化情况。

表3 硬度测试结果

5.2 室温拉伸性能

从水平管段取纵向试样进行拉伸试验，结果如表4所示，试样的平均抗拉强度比20G 材料的要求要低，其他指标符合要求。

表4 室温拉伸性能

6 分析与讨论

根据夹杂物以及光谱成分分析，疏水管的材质为20G，没有发现夹杂物超标。爆口附近胀粗明显，有纵向裂缝存在，可看出是长期过热失效的特征。竖直管段珠光体达到4 级或以上的球化级别，而水平管段的珠光体为轻度球化。由此能够看出，疏水管垂直段老化以及胀粗情况非常明显，在爆口上方水平段老化以及胀粗现象也较为明显，而离爆口区域较远的材质只有比较轻的损伤。

爆口边缘金相存在石墨化的情况，而这种现象会对材质的性能造成严重影响，从而使得材料处在一个脆性的状态。根据DL/T715-2015 文件中提到的20G 材质在壁温小于430℃的联箱与蒸汽管道中较为适用，而在471～479℃之间长期运行，珠光体会发生石墨化以及球化的情况，因此，失效的竖直管道能够推断出其在石墨化温度区间内，比该管的设计壁温要高的多，所以在运行过程中，疏水管材质发生严重劣化，最终导致爆管胀粗的情况发生。

从室温拉伸性能来看，拉伸强度要比GB/T5310-2008 文件中要求的下限值低，由此能够看出，疏水管的材质已经发生老化，性能降低。

从结构上来看，该部位在隔仓内，因为受热面和隔仓烟气通道之间没有进行密封，存在着高温烟气流动到隔仓，从而使得该部位有着较高的温度。并且在机组运行过程中，该疏水管的阀门是关闭的，管内介质不能流动换热，从而使得疏水管偏离设计值，和环境温度较为接近，所以该材质对使用要求不能满足。

7 结语

泄漏疏水管有着明显的老化与胀粗情况存在，爆口附近存在石墨化，由此说明该管处于一个长期的超温，从而发生爆管。根据DL/T715-2015 文件中提出，20G 材质在471～479℃之间长期运行，珠光体会发生石墨化以及球化的情况，由此能够推断出该管壁温在471～479℃温度区间内，而20G 材质达不到该温度，对使用要求不能满足。后续对燃气电厂提出下面几点建议：（1）对其他锅炉的相同部位进行更换或者是维修检查工作。（2）对该部位疏水管材质等级进行提升。（3）安装温度测点在爆管区域，以此了解该区域的温度情况。