一臺(tái)420MW超臨界燃煤機(jī)組水冷壁管破裂原因探討及解決對(duì)策

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一臺(tái)420MW超臨界燃煤機(jī)組水冷壁管破裂原因探討及解決對(duì)策1一臺(tái)420MW超臨界燃煤機(jī)組水冷壁管破裂原因探討及解決對(duì)策文軍華能集團(tuán)香港公司 北京市西城區(qū)復(fù)興門內(nèi)大街4號(hào) 郵編：100031Discussion on root cause of waterwall tube failure on a 420MW coal fired supercritical unit and the possible resolutionJun WenAddr. No.4 Fuxingmen Neidajie, Bei

2、jing, China, 10003111ABSTRACT: A 420MW coal fired supercritical unit has experienced two incidents of waterwall tube failure in a short time period. The paper analyzes the possible root causes and gives some recommendations to address this issue. KEY WORD: circumferential cracking thermal fatigue ov

3、erheating clinker oxide deposition waterwall tube摘要：一臺(tái)420MW的超臨界燃煤機(jī)組接連發(fā)生了兩次水冷壁爆管事故，本文對(duì)可能的事故原因進(jìn)行了分析，并提出了解決對(duì)策。關(guān)鍵詞：周向裂紋 熱疲勞 過熱 結(jié)渣 氧化物沉積 水冷壁管1背景：該機(jī)組于2001年投產(chǎn)，為超臨界燃煤機(jī)組，采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，前墻布置3層燃燒器，后墻2層，5臺(tái)中速磨，每臺(tái)磨各帶一層燃燒器。爐膛下部燃燒器區(qū)域的水冷壁管為螺旋布置方式，過燃燒器區(qū)域后，改為豎直上升。機(jī)組有關(guān)參數(shù)如下：蒸發(fā)量 (at BMCR)1,281,326 kg/h主蒸汽壓力 25.88 MPa主蒸汽溫度 5

4、69 oC再熱蒸汽壓力 4.3 MPa再熱蒸汽溫度 568 oC給水溫度 315 oC爐膛寬度 18,360 mm爐膛深度 12,667 mm爐膛高度 46,900 mm(冷灰斗拐點(diǎn)到爐頂)2005年4月14日和16日分別發(fā)生了一次水冷壁爆管事故，爆管位置在爐膛兩側(cè)墻中心線附近，大約爐膛標(biāo)高20米的地方，對(duì)應(yīng)于第2排燃燒器的高度，這也是爐膛內(nèi)熱流密度最大的地方。水冷壁管爆裂的裂紋為周向裂紋，即垂直于管子的軸向方向。爆裂管子附近的管子上也多處發(fā)現(xiàn)有周向、細(xì)小的裂紋。該臺(tái)機(jī)組發(fā)生爆管事故時(shí)累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)為35000小時(shí)。水冷壁管爆管位置2水冷壁爆管原因分析21 水冷壁管溫度波動(dòng)管壁溫度負(fù)荷劇烈波動(dòng)

5、該機(jī)組自投產(chǎn)以來一直存在比較嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象。自發(fā)生爆管事故后，為查明原因，在全爐膛內(nèi)安裝了22只熱流計(jì)，以監(jiān)測(cè)結(jié)渣和管子壁溫的變化情況。測(cè)量結(jié)果顯示，由于不斷發(fā)生結(jié)渣-掉渣過程，向火側(cè)金屬壁溫的變化幅度很大很快，在30秒的時(shí)間內(nèi)波動(dòng)幅度能達(dá)到70-100C范圍內(nèi)，而且頻率很高，幾乎每20分鐘就發(fā)生一次結(jié)渣-掉渣過程。劇烈波動(dòng)管壁溫度負(fù)荷圖1：水冷壁爆管處管壁溫度波動(dòng)影響水冷壁管溫度波動(dòng)的因素主要是煤質(zhì)情況、負(fù)荷以及磨煤機(jī)組合方式。當(dāng)煤質(zhì)變差時(shí)，特別是當(dāng)煤灰中的含鐵量超過15%時(shí)，鍋爐結(jié)渣加重，掉渣頻繁，管壁溫度波動(dòng)大；機(jī)組負(fù)荷高時(shí)，結(jié)渣加重，管壁溫度波動(dòng)大；在某種磨煤機(jī)組合方式下，結(jié)渣加重，管

6、壁溫度也波動(dòng)大。22 水冷壁管金相分析開裂管子表現(xiàn)出來的特征與EPRI出版的“鍋爐爆管：理論與實(shí)踐，第2卷：與水接觸的管子”中描寫的超臨界水冷壁管開裂機(jī)理非常相似。主要相似的特征是發(fā)生在向火側(cè)管子外表面上的周向裂紋的模式，帶有規(guī)則的間隔分布的二次裂紋。裂紋的特征也是典型的，具有楔狀、氧化物填充的外表，裂紋的氧化物中分布著的硫成分。裂紋以一種漸進(jìn)的形式發(fā)展，顯示出這是一種疲勞熱開裂。通常認(rèn)為引發(fā)疲勞開裂所需要的溫度波動(dòng)與鍋爐的結(jié)渣-掉渣過程有關(guān)，但有一點(diǎn)，正如在有關(guān)的參考文獻(xiàn)中所說的，僅有溫度波動(dòng)通常并不足以引發(fā)開裂。隨著管子內(nèi)表面沉積物的增加，管壁溫度升高，從而有可能引發(fā)爆管。在有些事例中，這

7、種內(nèi)表面的沉積物以波紋狀磁鐵物的形式出現(xiàn)，特別是在所有采用了除氧器給水處理的爐子中容易生成。一個(gè)用來控制這種波紋狀磁鐵沉積物的方法是采用給水加氧處理，正像在這臺(tái)機(jī)組上采用的一樣。在這臺(tái)機(jī)組上并沒有生成波紋狀的磁鐵沉積物，但有管子過熱以及大量?jī)?nèi)表面氧化物沉積的現(xiàn)象。對(duì)開裂管子橫斷面的顯微測(cè)量顯示，平均氧化物的厚度為64um，最大88.9um。氧化物相對(duì)致密，緊緊地附著在管子表面，似乎是蒸汽生成型氧化物，而不是工質(zhì)中沉淀下來的氧化物。這一點(diǎn)似乎也可以從在氧化物中發(fā)現(xiàn)有锘和鉬的成分得到證實(shí)，因?yàn)楹虾踹壿嫷慕忉屖沁@些元素是從基質(zhì)材料中擴(kuò)散出來的。管壁金屬在微觀結(jié)構(gòu)上顯示出一種梯度分布，靠近中心的金屬有

8、輕度的退化，靠近外表面的金屬是球形結(jié)構(gòu)?；谝陨线@些微觀表現(xiàn)，以及機(jī)組運(yùn)行了3萬多小時(shí)，估計(jì)管壁金屬的溫度梯度大概是中心480 C，外表面540 C。這兩個(gè)溫度都大大超過了設(shè)計(jì)的在這個(gè)位置處的預(yù)期運(yùn)行溫度范圍400-425 C。相對(duì)較陡的溫度梯度暗示了很高的熱流密度也許是管子破裂的一個(gè)主要原因。為了分析水冷壁管爆裂的原因，沿著整個(gè)爐膛水冷壁取了18根管子，對(duì)這18根管子進(jìn)行了金相檢查，以此分析沿著整個(gè)爐膛水冷壁管內(nèi)壁氧化膜的厚度和分布情況以及可能的管子過熱損害。分析結(jié)果顯示，沿著爐膛高度方向，內(nèi)壁氧化膜的厚度逐漸增加，管子的微觀組織退化程度也逐漸增加。這是由于工質(zhì)溫度逐漸升高所致。向火側(cè)管子內(nèi)

9、壁氧化膜的平均厚度是23um，最大厚度是76um。3根靠近破裂位置的管子的氧化膜厚度小于27um。一般來說，采用給水加氧處理的超臨界機(jī)組的水冷壁的沉積型氧化物（多孔）的生長(zhǎng)速度是75-150um/100,000小時(shí)。該機(jī)組在取管子樣時(shí)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)大約是35,000小時(shí)。圖像顯示，幾乎所有取樣管子內(nèi)壁的氧化物很致密，是自我氧化生成的。通常管子內(nèi)壁的氧化物由一層薄而致密的氧化物和一層厚而多孔的氧化物組成。這種外觀上的不同可以通過對(duì)比一臺(tái)丹麥的407MW的超臨界機(jī)組的水冷壁管內(nèi)壁氧化物的情況清楚地顯示出來。導(dǎo)致這種不同的原因正在分析中。圖2：一臺(tái)丹麥超臨界機(jī)組水冷壁管內(nèi)壁氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)圖3：該機(jī)組

10、水冷壁管內(nèi)壁氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)在2005年9月的大修中，從該機(jī)組后墻靠近折焰角的地方取了一根管子進(jìn)行金相分析，結(jié)果顯示，其內(nèi)壁氧化膜卻顯示出了致密層和多孔氧化層的結(jié)構(gòu)，致密層的平均厚度是21um，多孔層的厚度在2-73um的范圍內(nèi)。圖4：該機(jī)組后墻水冷壁管內(nèi)壁氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)致密層的熱傳導(dǎo)性比多孔層的好，因此同樣厚度的致密氧化膜相對(duì)于多孔氧化膜在向火側(cè)的金屬管壁內(nèi)產(chǎn)生的溫度梯度較小。這樣再加上在整個(gè)爐膛內(nèi)測(cè)量到的氧化膜的厚度，顯示出該臺(tái)機(jī)組單靠?jī)?nèi)壁氧化膜是不會(huì)導(dǎo)致向火側(cè)金屬壁溫高于其他的鍋爐的。通過對(duì)取樣管子的微觀結(jié)構(gòu)觀察，以分析這些管子的運(yùn)行溫度。分析結(jié)果表明，大多數(shù)從第7層及其以下位置取的管

11、子沒有顯示出嚴(yán)重退化的跡象，向火側(cè)平均金屬溫度估計(jì)在414-428 C之間，這個(gè)溫度范圍很接近設(shè)計(jì)的金屬溫度了。一根從第7層上取的管子和所有從第8層和第9層取的管子其估計(jì)的平均金屬溫度在464-480 C范圍內(nèi)。這個(gè)溫度范圍雖然比設(shè)計(jì)值稍稍高了一些，但仍大大低于金屬材料的溫度限值。這些結(jié)果顯示在該機(jī)組爐膛下部水冷壁破裂管子上觀察到的過熱損壞現(xiàn)象不能代表整個(gè)爐膛的情況。在破裂管子內(nèi)壁上生成的致密氧化膜的形成機(jī)理可能是一個(gè)局部的現(xiàn)象。金相分析還顯示發(fā)生了爆管的管子的向火側(cè)外表面運(yùn)行溫度估計(jì)有540C，而內(nèi)表面溫度為480C。23 鍋爐制造商對(duì)水冷壁管開裂原因的分析鍋爐制造商的看法是:·

12、在該臺(tái)機(jī)組上發(fā)生的由于結(jié)渣-掉渣過程導(dǎo)致的在高熱流區(qū)域水冷壁管的溫度波動(dòng)也在該鍋爐制造商其它超臨界鍋爐上發(fā)生過，且程度類似。· 周向裂紋也在至少一臺(tái)該鍋爐制造商的其它超臨界鍋爐上發(fā)生過。· 由于結(jié)渣-掉渣過程的周期性發(fā)生，管壁溫度不斷波動(dòng)，使得管壁表面的保護(hù)性氧化膜不斷開裂，氧化過程得以深入管壁，管子表面金屬氧化物不斷增加，結(jié)果導(dǎo)致了裂紋的發(fā)生和成長(zhǎng)。· 第一次發(fā)生爆管事件的管子的微觀結(jié)構(gòu)顯示管子外表面和內(nèi)表面之間有很大的溫度梯度。· 估計(jì)管子外表面和內(nèi)表面的平均溫度分別是593C和455C。· 管子外表面的最高溫度可能超過了600C。

13、3; 這么大的溫度梯度顯示出管子曾經(jīng)經(jīng)歷過非常高的熱流強(qiáng)度，估計(jì)達(dá)到600 kW/m2，這是這個(gè)部位通常熱流值的兩倍。· 這么高的熱流強(qiáng)度發(fā)生在一個(gè)較小的面積上，2 m2，引起了管子的過熱。· 管子內(nèi)外表面的巨大溫度梯度在管子軸向方向上產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，在這種不斷變化的熱應(yīng)力的作用下，裂紋產(chǎn)生了。· 一個(gè)可能導(dǎo)致如此局部化的過熱現(xiàn)象的原因是燃燒不正常導(dǎo)致的火焰刷墻。一個(gè)值得注意的事情是，鍋爐制造商估計(jì)的管子內(nèi)外表面溫度差達(dá)到138C，而先前金相檢查認(rèn)為只有不到60C。管子過熱的原因有兩個(gè)，一個(gè)是鍋爐制造商認(rèn)為的火焰刷墻，另一個(gè)可能是工質(zhì)側(cè)換熱過程的惡化。如果是由火

14、焰刷墻引起的，那么：· 管子外表面的熱流強(qiáng)度將非常大，這會(huì)在金屬管壁中產(chǎn)生很大的溫度梯度。· 管子外表面的溫度也將很高，如果熱流強(qiáng)度足夠大的話，也會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)側(cè)換熱過程的惡化。如果是工質(zhì)側(cè)換熱過程的惡化引起的，那么：· 管壁表面的熱流強(qiáng)度不會(huì)很大，因此管子內(nèi)外表面間的溫度梯度也不會(huì)超過正常值。· 由于膜式沸騰或其他原因，管子和工質(zhì)間的換熱系數(shù)將會(huì)很低。· 這將導(dǎo)致管子內(nèi)壁溫度很高，從而導(dǎo)致外表面的溫度也很高。因此，如果很大的溫度梯度只能由很大的熱流密度（不是工質(zhì)側(cè)換熱過程的惡化）產(chǎn)生， 而且最后的金相報(bào)告顯示確實(shí)存在這么一個(gè)很大的溫度梯度的話，那

15、么導(dǎo)致管子過熱的最大可能就是火焰刷墻或其他能產(chǎn)生更高熱流密度的情況。因此從金相檢查中分析管壁的溫度梯度就非常關(guān)鍵了。SuperheatedStartup Pressure300 MW不過要在很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的且不斷變化的熱流密度的條件是非?？量痰模热缛紵鲊?yán)重變形，燃燒器被渣塊堵住，燃燒器的旋流葉片開度很小而煤量很大，油槍火焰的偏斜等。圖5：2002年5月至11月間中間聯(lián)箱的溫度目前電廠正在調(diào)查歷史數(shù)據(jù)，看引起火焰異常的條件是否發(fā)生過，目前為止的調(diào)查顯示，不存在可能引起燃燒異常的運(yùn)行條件和設(shè)置。去年該臺(tái)機(jī)組在大修中沿著爐膛安裝了熱流計(jì)，熱流計(jì)顯示熱流密度沒有超過320 kW/m2的，這說

16、明很高的熱流密度不是在正常運(yùn)行條件下發(fā)生的。盡管產(chǎn)生過高熱流密度的原因可能永遠(yuǎn)不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，但仍有可能對(duì)周向裂紋的發(fā)展進(jìn)行成功的控制。如果導(dǎo)致管子過熱和裂紋發(fā)展的原因是一個(gè)一次性的事件，而且鍋爐制造商認(rèn)為的沒有受到過熱影響的管子的裂紋生長(zhǎng)速度比較慢是正確的，那么只要在計(jì)劃?rùn)z修中監(jiān)測(cè)裂紋的生長(zhǎng)，并及時(shí)替換局部過熱的管子，管子的使用壽命就可以得到保證。如果過熱現(xiàn)象不再發(fā)生了，那么由于周向裂紋引起的爆管事故可能就會(huì)被最終克服。24 中間聯(lián)箱的溫度對(duì)中間聯(lián)箱溫度進(jìn)行分析的目的是確定在中間聯(lián)箱是否曾經(jīng)有過長(zhǎng)時(shí)間的高溫，這可能與發(fā)生爆管處的工質(zhì)溫度聯(lián)系起來。結(jié)果顯示，盡管確實(shí)有過高的工質(zhì)溫度，但它們都沒有持

17、續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)然如果管子燒干了，或者偏離了有核沸騰的條件，短期的管壁過熱仍是有可能的。這有可能在低負(fù)荷以及亞臨界狀態(tài)下發(fā)生。中間聯(lián)箱的第17、18號(hào)熱電偶位于西側(cè)墻爆管管子的下游，第3、4號(hào)熱電偶位于東側(cè)墻爆管管子的下游。這些熱電偶的溫度與工質(zhì)壓力的曲線見圖5。這段期間的數(shù)據(jù)顯示這些熱電偶的溫度通常處于飽和溫度，但有時(shí)也處于過熱溫度。由于數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間是10分鐘，在過熱溫度下的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)表明處于過熱狀態(tài)下的總時(shí)間是比較短的。進(jìn)一步的分析將可能提供關(guān)于爆管處的工質(zhì)情況。如果在爆管的位置曾經(jīng)發(fā)生膜式沸騰和過熱現(xiàn)象，那么為什么會(huì)發(fā)生在這個(gè)部位而不是在燃盡風(fēng)的位置呢？爆管位置都位于爐膛的下部。一個(gè)可能的

18、解釋是臨界熱流密度只存在于燃燒器區(qū)域。不過安裝在爐膛上的熱流計(jì)顯示沿著爐膛的高度方向，熱流密度的變化并不大。對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析將可能揭示出中間聯(lián)箱過熱流體的重要性。25 爐膛內(nèi)其它地方的水冷壁管溫度波動(dòng)和熱流密度· 記錄下來的最大熱流密度發(fā)生在兩側(cè)墻中心線，位于中間層燃燒器標(biāo)高處（> 300 kW/m2）· 其他的低于中間聯(lián)箱的熱流計(jì)紀(jì)錄下來的最大熱流密度在250-280 kW/m2之間。· 高于中間聯(lián)箱的熱流計(jì)紀(jì)錄下來的最大熱流密度是200 kW/m2。· 最容易結(jié)渣的部位包括：o 兩側(cè)墻下部中心線附近o 緊鄰后墻燃盡風(fēng)噴口上部· 不管

19、煤質(zhì)情況和磨煤機(jī)投運(yùn)情況如何，這兩個(gè)部位都不斷的結(jié)渣。· 當(dāng)煤質(zhì)情況不好時(shí)，例如當(dāng)灰中的含鐵量超過15%時(shí)，爐膛內(nèi)其他的部位也容易結(jié)渣。以上的觀察證實(shí)了在爆管位置不僅有最高的熱流密度，而且有最頻繁的結(jié)渣-掉渣過程。26 減少水冷壁管溫度波動(dòng)的嘗試為了減少水冷壁管溫度波動(dòng)的幅度和頻率，電廠到目前為止進(jìn)行了許多嘗試。如進(jìn)行燃燒調(diào)整，改變?nèi)紵O(shè)置，但這個(gè)方法被證實(shí)對(duì)溫度波動(dòng)沒有很大影響?？諝馀诒话惭b在側(cè)墻上來除去側(cè)墻的渣。當(dāng)渣達(dá)到一定的尺寸后，空氣炮通常能把它們除去。但不幸的是，當(dāng)空氣炮能發(fā)揮作用的時(shí)候，渣塊通常已經(jīng)很大了，結(jié)果當(dāng)渣塊被打掉時(shí)產(chǎn)生了很大的溫度波動(dòng)。目前正在對(duì)空氣炮進(jìn)行一些改進(jìn)以增加空氣炮的打擊力量和打擊頻率。通過打開看火孔進(jìn)行了一種簡(jiǎn)單的貼壁風(fēng)試驗(yàn)。空氣從看火孔處進(jìn)入爐膛，希望能改變貼壁的氣氛并進(jìn)行局部的冷卻，從而改變結(jié)渣狀況。但試驗(yàn)結(jié)果并不理想，這可能是由于試驗(yàn)方法太粗糙的緣故。將來可能會(huì)特制一種噴射空氣的設(shè)備重新進(jìn)行貼壁風(fēng)試驗(yàn)。3水冷壁疲勞爆管控制策略水冷壁管疲勞開裂導(dǎo)致爆管的風(fēng)險(xiǎn)依然存在，如何控制周向裂紋的發(fā)展成了保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要方面?？刂坡菪芏蔚乃浔诠艿臒崞诹鸭y的策略有：· 確定導(dǎo)致管子過熱的原因·