超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器爆管原因分析及預(yù)防措施

超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器爆管原因分析及預(yù)防措施

2007年6月30日，大唐湘潭供電有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“湘潭供電”）4號(hào)穿越鍋爐運(yùn)行不到4000小時(shí)，出現(xiàn)了高溫過(guò)熱器爆管。主要原因是，高溫過(guò)熱器管內(nèi)的氧化層下落，并將其積聚在u型曲線底部。這降低了管道的通流量，提高了蒸汽的循環(huán)阻力。管道內(nèi)的蒸汽流量相對(duì)較小，嚴(yán)重影響了管道的冷卻效果，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間呼喚過(guò)熱器管的高溫爆管。需要指出的是全國(guó)在運(yùn)的超臨界鍋爐多次發(fā)生由于氧化皮層脫落造成鍋爐受熱面堵塞而短期過(guò)熱爆管,因此有必要采取相應(yīng)的技術(shù)措施,防止高溫過(guò)熱器氧化皮脫落。1鍋爐裝載量1.1超臨界參數(shù)變壓鍋爐湘潭電廠二期工程3、4號(hào)鍋爐為東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司與東方-日立鍋爐有限公司合作設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造的DG1900/25.4-Ⅱ1型600MW超臨界參數(shù)變壓直流本生鍋爐。該爐采用П型布置,單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒方式,設(shè)計(jì)燃用貧煤。爐膛上部布置屏式過(guò)熱器,水平煙道依次布置高溫過(guò)熱器和末級(jí)再熱器,在尾部豎井的四周為包墻過(guò)熱器。1.2過(guò)管屏tp高溫過(guò)熱器蛇形管布置在水冷壁折焰角上,沿爐寬方向布置有31片,管排橫向節(jié)距S1=609.6mm,管子縱向節(jié)距S2=57mm。每片管屏由20根管子并聯(lián)繞制而成,爐內(nèi)受熱面管子的材質(zhì)均為國(guó)產(chǎn)SA213-TP347H。管屏內(nèi)外圈管采用不同的管子規(guī)格,外圈管為Φ50.8×8.9mm,其余的為Φ45×7.8mm,頂棚以上材料為T(mén)91,頂棚以下為T(mén)P347H。1.37年6月天然氣負(fù)荷率為3號(hào)機(jī)組從2006年4月1日統(tǒng)計(jì)以來(lái),2006年總計(jì)運(yùn)行3849.25h,開(kāi)機(jī)11次,停機(jī)10次,最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為1554.55h,64.77天。2007年開(kāi)機(jī)3次,停機(jī)4次。截至2007年6月,累計(jì)總發(fā)電量2735794MW·h,負(fù)荷率80.75%,總運(yùn)行5646.85h。4號(hào)機(jī)組從2006年11月13日投產(chǎn)以來(lái),2006年總計(jì)運(yùn)行781.27h,開(kāi)機(jī)1次,停機(jī)2次,最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為662.9h,27.62天。2007年開(kāi)機(jī)4次,停機(jī)3次。截至2007年6月,累計(jì)總發(fā)電量1489906MW·h,負(fù)荷率79.16%,總運(yùn)行3136.94h。2原因分析2.1管內(nèi)皮氧化高溫蒸汽管內(nèi)壁生成氧化膜是個(gè)自然的過(guò)程,開(kāi)始時(shí)氧化膜形成很快,一旦膜形成后氧化速度便減慢了。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,在超溫或溫度、壓力劇烈波動(dòng)等情況下,由于管子母材和氧化膜不同的熱膨脹能力,金屬表面的氧化膜會(huì)產(chǎn)生裂紋,裂紋的存在使得基體金屬直接暴露于氧化環(huán)境之中,加速了氧化的進(jìn)程,氧化層也開(kāi)始向雙層、多層發(fā)展。高溫過(guò)熱器材料SA-213TP3476H為奧氏體不銹鋼,當(dāng)奧氏體不銹鋼長(zhǎng)時(shí)間處于高溫高壓的水蒸汽中時(shí),管子內(nèi)壁會(huì)自然的氧化。由于Cr的活性較高,在氧化的初始階段,管子內(nèi)表面會(huì)生成很薄的Cr2O3氧化膜,這層氧化膜的形成阻止了管子內(nèi)壁進(jìn)一步氧化。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,氧化膜以下的基體相應(yīng)地發(fā)生Cr的貧化,同時(shí)在超溫或溫度、壓力劇烈波動(dòng)等情況的作用下,外層氧化物出現(xiàn)細(xì)微的裂紋,Fe向氧化膜外擴(kuò)散,大大惡化了其高溫下的抗氧化能力,氧化發(fā)展速度加快,抗氧化性能降低,氧化層也開(kāi)始向雙層、多層發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料介紹,氧化皮的生長(zhǎng)速度與溫度有著密切的關(guān)系。一般說(shuō)來(lái),在某個(gè)溫度段(565~595℃),溫度越高,氧化皮生長(zhǎng)速度越快,而鍋爐主蒸汽溫度為571℃,在該溫度下運(yùn)行,管內(nèi)壁氧化皮就會(huì)生長(zhǎng)。高溫氧化遵循拋物線規(guī)則進(jìn)行,而TP347H管的氧化皮的熱膨脹系數(shù)與基體材料的熱膨脹系數(shù)有較大差異,在設(shè)備快速啟停時(shí),氧化皮容易脫落(幾微米就可脫落),脫落后使基材暴露在蒸汽中,而拋物線特征為初期氧化速度極快,導(dǎo)致反復(fù)脫落,反復(fù)氧化,氧化速度加快,并且脫落的氧化皮反過(guò)來(lái)也降低此處管材的蒸汽流量,使其容易超溫,并使管子氧化速度顯著增加。2.2熱膨脹能力的影響隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),氧化膜的厚度增加,在鍋爐的頻繁啟動(dòng)、停爐或升降負(fù)荷過(guò)程中,管子溫度變化幅度很大,由于母材和氧化膜的熱膨脹能力不同,基體會(huì)對(duì)表面的氧化膜產(chǎn)生拉或壓的作用,這些作用都會(huì)導(dǎo)致氧化膜開(kāi)裂。SA-213TP3476H鋼材的膨脹系數(shù)一般在(16~20)×10-6/℃,而氧化鐵的膨脹系數(shù)一般在9.1×10-6/℃。由于膨脹系數(shù)的差異,在多層氧化層達(dá)到一定厚度,加上溫度發(fā)生變化尤其是劇烈或反復(fù)變化,氧化皮很容易從金屬本體剝離。2.3機(jī)組數(shù)量較多時(shí),機(jī)組運(yùn)行時(shí)總壓溫差首先剝離的氧化皮在U型彎的底部停滯,由于機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的蒸汽流量較小,無(wú)法將其帶走。脫落的氧化皮不斷的積聚,數(shù)量較多時(shí),即便機(jī)組啟動(dòng)后有了較大的蒸汽流量,也很難對(duì)其產(chǎn)生擾動(dòng)并帶走,被堵塞的管子壁溫會(huì)異常升高,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成短期超溫爆管。鍋爐停運(yùn)冷卻過(guò)程中,部分蒸汽凝結(jié)成水后積于過(guò)熱器U型管下部,淹沒(méi)了剝落的氧化皮,隨著U型管底部積水逐漸的自然蒸發(fā),氧化皮一層緊貼一層,聚積成核狀,堵死了高溫過(guò)熱器流通截面。2.4u2004sa-33tp396h材質(zhì)4號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間短,機(jī)組啟停次數(shù)少,4號(hào)鍋爐受熱面在調(diào)試期間和平時(shí)運(yùn)行基本不超溫,機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況和調(diào)查情況表明,4號(hào)鍋爐比3號(hào)鍋爐各方面都好。造成4號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器爆管的主要原因應(yīng)為SA-213TP3476H材質(zhì),3號(hào)鍋爐SA-213TP3476H材質(zhì)為進(jìn)口,4號(hào)鍋爐SA-213TP3476H材質(zhì)為國(guó)產(chǎn),見(jiàn)表2。盡管4號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器SA-213TP3476H材質(zhì)主要成分符合國(guó)標(biāo),但國(guó)標(biāo)中判斷材質(zhì)指標(biāo)不全。國(guó)外多年研究,對(duì)SA-213TP3476H材質(zhì)引入晶粒度等級(jí),且要求晶粒度等級(jí)在7級(jí)以上。4號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器SA-213TP3476H材質(zhì)晶粒度等級(jí)為4.5級(jí),因此爆管的主要原因應(yīng)為SA-213TP3476H材質(zhì)晶粒度等級(jí)低,造成高溫過(guò)熱器氧化皮脫落并堵塞管子而引起爆管。2.4機(jī)械清理高溫過(guò)熱器U型彎底部氧化皮聚積較多,且個(gè)別管子內(nèi)氧化皮結(jié)成核狀,無(wú)法用高壓空氣或蒸汽吹管的方法處理,而用化學(xué)方法處理會(huì)造成鍋爐管子的損壞。因此,只能使用割管機(jī)械清理的方法。割下U型彎后,用銅棒敲擊垂直管子,使已經(jīng)松動(dòng)的氧化皮倒出。U型彎內(nèi)部清理后,用通球法100%通球檢查,全部清理后重新對(duì)口焊接。3熱器材質(zhì)優(yōu)化將4號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器爆管SA-213TP3476H材質(zhì)個(gè)別更換為超細(xì)晶粒度、抗氧化不銹鋼材質(zhì)超級(jí)TP304H,同時(shí)通過(guò)各種技術(shù)措施,預(yù)防或減緩高溫過(guò)熱器氧化皮產(chǎn)生、脫落和聚積。3.1減少熱偏差、提升熱負(fù)荷高溫過(guò)熱器出口蒸汽溫度不超574℃,受熱面金屬溫度不超過(guò)590℃;屏式過(guò)熱器出口溫度不超過(guò)530℃,受熱面金屬溫度不超過(guò)600℃;高溫再熱器出口蒸汽溫度不超過(guò)574℃,受熱面金屬溫度不超過(guò)600℃。由于受熱面可能存在較大的熱偏差,受熱面蒸汽溫度的控制要服從金屬溫度,金屬溫度超溫要視情況降低蒸汽溫度運(yùn)行。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)金屬溫度超過(guò)允許值,通過(guò)降低蒸汽溫度和運(yùn)行方式調(diào)整以及蒸汽吹灰無(wú)效時(shí)應(yīng)降低機(jī)組負(fù)荷;任何時(shí)候不允許蒸汽參數(shù)和受熱面金屬溫度長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)允許值。鍋爐運(yùn)行中過(guò)熱器出口蒸汽溫度左右偏差不超過(guò)5℃,屏式過(guò)熱器出口蒸汽溫度左右偏差不超過(guò)10℃,再熱器出口蒸汽溫度左右偏差不超過(guò)10℃,并且運(yùn)行中按照溫度高點(diǎn)控制蒸汽溫度。為防止?fàn)t膛熱工況擾動(dòng)造成受熱面超溫,正常運(yùn)行中一、二級(jí)減溫水和再熱器煙氣擋板應(yīng)處于可調(diào)整的中間位置,再熱器事故減溫水應(yīng)處于備用狀態(tài)。3.3盡可能限制熱層溫度的周期性變化和溫度變化率，減少氧化皮的坍塌3.3.1機(jī)組正常升降負(fù)荷速率不斷完善熱工自動(dòng)控制系統(tǒng),對(duì)給水、一、二級(jí)減溫水、再熱器溫度自動(dòng)、負(fù)荷控制邏輯不斷進(jìn)行改進(jìn),減輕系統(tǒng)溫度的周期性波動(dòng)幅度和速率。機(jī)組運(yùn)行中正常升、降負(fù)荷速率不超過(guò)10MW/min,在300~600MW負(fù)荷區(qū)間內(nèi)升、降負(fù)荷要維持屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器、再熱器出口蒸汽溫度額定(屏過(guò)出口溫度530℃、高過(guò)出口571℃、高再出口569℃),如由于升降負(fù)荷的擾動(dòng)造成上述溫度的波動(dòng)率超過(guò)5℃/min,要適當(dāng)降低機(jī)組的升、降負(fù)荷速率或暫停升降負(fù)荷,待溫度調(diào)整穩(wěn)定后繼續(xù)進(jìn)行負(fù)荷變動(dòng)操作。3.3.2控制滑動(dòng)參數(shù)的停機(jī)期溫度的變化率機(jī)組正常停機(jī)要采用滑停方式。滑停過(guò)程中屏過(guò)、高過(guò)和高再出口蒸汽溫度的溫度變化率不高于2℃/min。3.3.3快速降低生產(chǎn)參數(shù)機(jī)組由于故障緊急停機(jī),爐膛通風(fēng)10min后立即停止送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行并關(guān)閉送風(fēng)機(jī)出口和引風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口擋板進(jìn)行悶爐4h以上,防止受熱面溫度快速降低。如緊急停爐后需要對(duì)鍋爐進(jìn)行冷卻,要控制高溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器、高溫再熱器出口蒸汽溫度和上述受熱面金屬溫度降溫速率不超過(guò)3℃/min,主、再熱降壓速率不大于0.3MPa/min;降壓結(jié)束后水冷壁上水控制啟動(dòng)分離器溫度降低速率不高于3℃/min;啟動(dòng)分離器儲(chǔ)水箱見(jiàn)水后方可啟動(dòng)煙風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)冷卻;通風(fēng)冷卻時(shí)根據(jù)環(huán)境溫度控制風(fēng)機(jī)的出力,調(diào)整冷段過(guò)熱器和冷段再熱器入口煙氣溫度的降低速率不高于3℃/min。3.3.4控制蒸汽溫度機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中嚴(yán)格按照機(jī)組升溫控制曲線控制蒸汽溫度。在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)組并列前的溫升速率控制不高于3℃/min,機(jī)組并列后的升速率控制不高于2℃/min。鍋爐啟動(dòng)中確保燃油燃燒完全,投粉均勻緩慢,汽溫不發(fā)生突變,并盡量控制在蒸汽流量小于100t/h時(shí)不投粉,在單進(jìn)雙出方式下運(yùn)行的制粉系統(tǒng)盡量控制兩側(cè)均勻出粉。3.3.5機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中溫度變化率控制機(jī)組在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中嚴(yán)格按照不同熱狀態(tài)的升溫控制曲線控制蒸汽溫度。在熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中,為防止受熱面金屬溫度降低,鍋爐的煙風(fēng)系統(tǒng)要與其它系統(tǒng)同步啟動(dòng)。煙風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)后爐膛通風(fēng)控制總風(fēng)量為35%,在爐膛通風(fēng)5min結(jié)束立即點(diǎn)火,點(diǎn)火后要盡快投入燃料量,控制屏過(guò)、高過(guò)、高再的溫升速率為(5~6)℃/min,防止受熱面金屬溫度降低。3.4鍋爐點(diǎn)火控制機(jī)組啟動(dòng)期間嚴(yán)格進(jìn)行冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質(zhì)指標(biāo)的控制,冷態(tài)沖洗分離器排水水質(zhì)電導(dǎo)率<1μs/cm,Fe<100ppb前禁止鍋爐點(diǎn)火;熱態(tài)沖洗分離器排水Fe<50ppb前禁止鍋爐升溫、升壓。機(jī)組啟動(dòng)階段,在高、低旁開(kāi)啟前主蒸汽管道、高旁前、主汽門(mén)前、再熱蒸汽管道、中壓主汽門(mén)前疏水要開(kāi)啟,發(fā)電機(jī)并列后再關(guān)閉上述疏水。3.5效果通過(guò)采取以上措施,經(jīng)過(guò)近半年運(yùn)行,定期檢查表明,3、4號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器氧化皮產(chǎn)生、脫落和聚積得到有效控制,取得明顯的效果。4防止高溫過(guò)熱器氧化皮脫的技術(shù)措施(1)4號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器爆管的主要原因?yàn)?SA-213TP3476H材質(zhì)晶粒度等級(jí)低,造成高溫過(guò)熱器氧化皮脫落并堵塞管子。(2)將4號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器爆管SA-213TP3476H材質(zhì)個(gè)別更換為超細(xì)晶粒度、抗氧化不銹鋼材質(zhì),該措施可相對(duì)減緩高溫過(guò)熱器管子內(nèi)壁的氧化速度,也可相對(duì)減少氧化皮的剝離。但由于不可能大面積更換材質(zhì),因此只能從運(yùn)行的角度