某600MW机组水冷壁吹灰孔弯管段泄漏原因分析

某600MW机组水冷壁吹灰孔弯管段泄漏原因分析

柯道斌

广东能源茂名热电厂有限公司,广东 茂名 525011

摘要：南方某600MW超临界机组运行中，水平烟道侧墙一吹灰器孔附近水冷壁弯管，由于管鳍片割缝根部形成裂纹源并发生疲劳扩展开裂，最终形成侧墙水冷壁管泄漏导致机组非计划停运，停炉检查中发现事故中受热面管屏有多处泄漏，特对此进行原因分析。

关键词：水冷壁；泄漏；吹灰器孔；原因分析

一、前言

某电厂锅炉为东方锅炉厂设计制造的600MW超临界参数变压直流炉，型号为DG1920/25.4-Ⅱ2型，该机组于2014年1月正式投产，机组运行过程中水平烟道侧墙水冷壁一吹灰器孔附近管段发生泄漏。检查发现，此次泄漏情况较复杂，同时出现水平烟道侧墙水冷壁外侧、内侧、该位置对应的炉内高温再热器受热面管泄漏，为本次分析增加较大的干扰。

二、宏观检查及形貌分析

1、水冷壁管屏炉外侧宏观检查、形貌分析

该锅炉水平烟道右侧墙水冷壁管屏标高64.2m至顶棚之间存在不同程度的变形，呈凹凸状，对应位置左侧墙管屏变形轻微。其中左侧墙管屏第25根（炉后往炉前数，下同）水冷壁管鳍片焊缝（标高67m）存在1处开裂，右侧墙管屏存在第3处开裂（主要集中在标高64.2m-67m之间），分别位于第12根、25根、37根水冷壁管鳍片焊缝上，以上开裂均出现在鳍片焊缝靠鳍片侧熔合线。

检查发现右侧墙水冷壁管外漏点位于水平刚性梁（标高67m）第二组（炉后往炉前数）耳板（上）焊缝处，该焊缝成型不良，裂纹沿耳板角焊缝靠管侧熔合线扩展。

2、炉内管屏宏观检查、形貌分析

炉内检查发现水平烟道右侧墙标高65.3m的吹灰孔炉前侧水冷壁管多处吹损减薄，其中有3根水冷壁管（第8、9、10根）发生泄漏。第8根有2处泄漏点：①号漏点狭长，长约60mm，最大张口约3mm，为始爆口；⑤号漏点较小。第9、10根分别有2处（②号、⑥号）、1处（⑦号）泄漏点，漏点开口均较小。向烟侧水冷壁管泄漏形貌如图1所示。

图1 吹灰器口水冷壁管泄漏形貌

抢修结束后，为进一步分析爆管原因，选取了吹灰器孔3根水冷壁管段，分别编号为1#、2#、3#管送样分析，管样长度约1.1 米，其中1#、2#管鳍片有割缝，详见图2（a）-（b）。

图2 吹灰器口弯管段管样 

宏观分析：1#管弯管段外弧侧、2#管内弧侧壁厚减薄区可见明显冲刷沟槽，减薄区6处孔形泄漏点附近壁厚严重减薄，泄漏孔边缘可见明显外翻变形，其中 2#管存在1处裂缝类泄漏点；1#、2#管鳍片割缝位置根部尖锐，局部可见裂纹，裂纹由割缝根部向鳍片焊缝方向扩展；根据各泄漏点外观特征、分布位置综合分析，判断2#管裂缝为起始泄漏点且裂缝位于原鳍片割缝根部裂纹扩展位置，当裂纹扩展至水冷壁管内壁，其管内高压蒸汽泄漏冲刷相邻的1#管段，1#管冲刷减薄泄漏后反冲起始泄漏的2#管鳍片，造成2#管鳍片部分缺失，最终在两节管段上共形成6处孔形泄漏点及1处裂缝类泄漏点。

经化学成分分析、力学性能试验：样管母材与鳍片化学成分分析主要元素、拉伸、冲击、硬度试验均满足GB/T 5310-2017（15CrMoG）标准技术要求。金相分析结果表明：样管母材显微组织均为铁素体+珠光体，珠光体球化等级约2.0 级，管内外壁氧化皮厚度均低于0.1mm，氧化皮未见异常。

扫描电镜形貌与能谱分析：2#裂缝断口近内表面可见明显冲刷沟槽痕迹，断口表面微观可见由外壁向内扩展的呈层片分布的疲劳辉纹，1#、2#管鳍片裂纹断口可见由吹灰孔侧向鳍片焊缝方向扩展的贝壳纹花样；1#、2#管鳍片裂纹断口表面覆盖物检测出明显的硫元素富集（其中2#管鳍片裂纹中硫元素含量约5.6wt.%），2#裂缝断口表面因受蒸汽冲刷影响，未检出硫元素，表明1#管和2#管鳍片割缝裂纹、2#裂缝具有宏微观疲劳开裂形貌特征。

3、高温再热器宏观检查、形貌分析

水冷壁漏点附近的高温再热器管屏同样存在多处泄漏点，漏点边缘锋利，减薄明显，呈现典型的蒸汽吹损特征。其中第64屏（炉左起数，下同）第11圈入口段管子存在一处长约80mm，宽约33mm的长方形破口，内壁未见明显的氧化皮脱落痕迹。第63屏第13圈（最内圈）入口段泄漏处管子发生弯曲、变形，同时穿过第61、62屏第12、13圈入口段管子，最终卡在第58、59屏出口段之间。造成第61、62屏入口段以及第58、59屏出口段管子共2处泄漏、9处吹损减薄超标、2处管子变形。损伤位置集中在标高65-66m之间。

三、原因分析

1、水平烟道右侧外墙水冷壁管外漏原因分析：该处泄漏发生在刚性梁耳板焊缝处，裂纹沿着耳板角焊缝靠管侧熔合线扩展。原因判断为：①水平刚性梁的自重通过耳板焊缝传递给膜式壁管，焊缝本身所处的应力水平较高。同时该处管屏变形量大，加剧了角焊缝的受力；②现场安装时耳板直接焊接在水冷壁管上，焊接工艺不当导致角焊缝的性能下降，同时焊缝成型不良，加剧焊缝熔合线处的应力集中。以上因素造成裂纹在角焊缝性能薄弱的熔合线处形成并扩展，最终拉裂水冷壁管导致此次泄漏。

2、高再泄漏管段漏点边缘锋利，明显减薄，绝大部分位于入口段，爆口内壁未发现明显的氧化皮脱离现象，同时下弯头氧化皮堆积检测也未见超标。通过机组查询运行中，给水流量与蒸汽流量对比，炉膛四管泄漏报警，以及炉膛负压、烟气温度的历史变化，结合宏观检查、形貌分析可判定高再泄漏原因为水冷壁泄漏蒸汽吹损所致。

3、水冷壁吹灰孔弯管段送样的水冷壁管材质、力学性能、显微组织均未见明显异常，水冷壁管内外壁均无异常腐蚀现象。结合水冷壁管开裂位置及工况分析，锅炉参与深度调峰，当机组负荷变动较大时，水冷壁管内介质流量发生变化，管子金属壁温循环波动，从而影响水冷壁管的膨胀和收缩，导致作用于水冷壁管的应力发生循环变化，鳍片割缝位置因结构尖锐，局部应力集中产生较高的峰值应力，同时锅炉运行过程中水冷壁管与鳍片之间存在温差引起的拘束应力；最终，鳍片在热应力和拘束应力等的作用下1#、2#管割缝根部形成裂纹源，并在循环应力的作用下发生疲劳开裂，裂纹（即2#管裂缝）贯穿至水冷壁管母材内壁，使得管内蒸汽泄漏冲刷相邻1#管段，1#管受冲刷减薄泄漏后反冲起始泄漏的2#管鳍片割缝处，造成鳍片部分缺失，最终在两节管段上共形成6处孔形泄漏点及1处裂缝类泄漏点。

四、建议

1、根据1#、2#水冷壁样管在其鳍片割缝检出裂纹，建议利用检修窗口对水冷壁吹灰口鳍片割缝扩大抽检，同时加强割缝质量控制，避免割缝根部出现尖锐结构而导致局部应力集中；

2、对刚性梁耳板焊缝进行扩大检查，更换拉裂管子和耳板，耳板现场更换时，刚性梁耳板与张力板之间预留间隙，检查张力板与耳板间隙，避免卡涩，修复焊缝，管屏尽量校平。必要时更换变形管屏，保证管屏膨胀时，能顺利膨胀；

3、锅炉调峰运行和升降负荷期间，要严格遵守操作规程，控制负荷变化速率，避免水冷壁管壁温大幅度波动；

4、锅炉吹扫蒸汽温度约300℃左右，吹灰过程中若蒸汽带水，吹灰器动作时，附近水冷壁会处于急冷急热的工作模式，建议平时加强检查吹灰系统疏水，杜绝吹灰蒸汽带水过多喷射到附近水冷壁管，避免形成较大温差加剧疲劳开裂。

5、发生锅炉四管泄漏事故，应尽早采取停炉措施，避免泄漏事故扩大，损伤附近管屏。

五、结论

综上所述，吹灰器口水冷壁管间鳍片在热应力和拘束应力等的作用下发生疲劳开裂，导致水冷壁吹灰孔弯管段开裂泄漏，泄漏汽水混合物吹损附近管屏。如何尽量避免水冷壁出现严重热疲劳与交变热应力，是今后深度调峰工况下，火力发电机组避免类似水冷壁爆管泄漏的一个预防方向。