超臨界鍋爐高溫過熱器爆管原因分析及預防措施

超臨界鍋爐高溫過熱器爆管原因分析及預防措施

2007年6月30日，大唐湘潭供電有限公司（以下簡稱“湘潭供電”）4號穿越鍋爐運行不到4000小時，出現(xiàn)了高溫過熱器爆管。主要原因是，高溫過熱器管內的氧化層下落，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。管道內的蒸汽流量相對較小，嚴重影響了管道的冷卻效果，導致長時間呼喚過熱器管的高溫爆管。需要指出的是全國在運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熱爆管,因此有必要采取相應的技術措施,防止高溫過熱器氧化皮脫落。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號鍋爐為東方鍋爐(集團)股份有限公司與東方-日立鍋爐有限公司合作設計、生產制造的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、前后墻對沖燃燒方式,設計燃用貧煤。爐膛上部布置屏式過熱器,水平煙道依次布置高溫過熱器和末級再熱器,在尾部豎井的四周為包墻過熱器。1.2過管屏tp高溫過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,爐內受熱面管子的材質均為國產SA213-TP347H。管屏內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T91,頂棚以下為TP347H。1.37年6月天然氣負荷率為3號機組從2006年4月1日統(tǒng)計以來,2006年總計運行3849.25h,開機11次,停機10次,最長連續(xù)運行時間為1554.55h,64.77天。2007年開機3次,停機4次。截至2007年6月,累計總發(fā)電量2735794MW·h,負荷率80.75%,總運行5646.85h。4號機組從2006年11月13日投產以來,2006年總計運行781.27h,開機1次,停機2次,最長連續(xù)運行時間為662.9h,27.62天。2007年開機4次,停機3次。截至2007年6月,累計總發(fā)電量1489906MW·h,負荷率79.16%,總運行3136.94h。2原因分析2.1管內皮氧化高溫蒸汽管內壁生成氧化膜是個自然的過程,開始時氧化膜形成很快,一旦膜形成后氧化速度便減慢了。但隨著運行時間的增加,在超溫或溫度、壓力劇烈波動等情況下,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產生裂紋,裂紋的存在使得基體金屬直接暴露于氧化環(huán)境之中,加速了氧化的進程,氧化層也開始向雙層、多層發(fā)展。高溫過熱器材料SA-213TP3476H為奧氏體不銹鋼,當奧氏體不銹鋼長時間處于高溫高壓的水蒸汽中時,管子內壁會自然的氧化。由于Cr的活性較高,在氧化的初始階段,管子內表面會生成很薄的Cr2O3氧化膜,這層氧化膜的形成阻止了管子內壁進一步氧化。但隨著運行時間的增加,氧化膜以下的基體相應地發(fā)生Cr的貧化,同時在超溫或溫度、壓力劇烈波動等情況的作用下,外層氧化物出現(xiàn)細微的裂紋,Fe向氧化膜外擴散,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,氧化層也開始向雙層、多層發(fā)展。據(jù)有關資料介紹,氧化皮的生長速度與溫度有著密切的關系。一般說來,在某個溫度段(565~595℃),溫度越高,氧化皮生長速度越快,而鍋爐主蒸汽溫度為571℃,在該溫度下運行,管內壁氧化皮就會生長。高溫氧化遵循拋物線規(guī)則進行,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,在設備快速啟停時,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,導致反復脫落,反復氧化,氧化速度加快,并且脫落的氧化皮反過來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組運行時間的延長,氧化膜的厚度增加,在鍋爐的頻繁啟動、停爐或升降負荷過程中,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,基體會對表面的氧化膜產生拉或壓的作用,這些作用都會導致氧化膜開裂。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,在多層氧化層達到一定厚度,加上溫度發(fā)生變化尤其是劇烈或反復變化,氧化皮很容易從金屬本體剝離。2.3機組數(shù)量較多時,機組運行時總壓溫差首先剝離的氧化皮在U型彎的底部停滯,由于機組啟動時的蒸汽流量較小,無法將其帶走。脫落的氧化皮不斷的積聚,數(shù)量較多時,即便機組啟動后有了較大的蒸汽流量,也很難對其產生擾動并帶走,被堵塞的管子壁溫會異常升高,嚴重時會造成短期超溫爆管。鍋爐停運冷卻過程中,部分蒸汽凝結成水后積于過熱器U型管下部,淹沒了剝落的氧化皮,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,堵死了高溫過熱器流通截面。2.4u2004sa-33tp396h材質4號機組運行時間短,機組啟停次數(shù)少,4號鍋爐受熱面在調試期間和平時運行基本不超溫,機組運行實際情況和調查情況表明,4號鍋爐比3號鍋爐各方面都好。造成4號鍋爐高溫過熱器爆管的主要原因應為SA-213TP3476H材質,3號鍋爐SA-213TP3476H材質為進口,4號鍋爐SA-213TP3476H材質為國產,見表2。盡管4號鍋爐高溫過熱器SA-213TP3476H材質主要成分符合國標,但國標中判斷材質指標不全。國外多年研究,對SA-213TP3476H材質引入晶粒度等級,且要求晶粒度等級在7級以上。4號鍋爐高溫過熱器SA-213TP3476H材質晶粒度等級為4.5級,因此爆管的主要原因應為SA-213TP3476H材質晶粒度等級低,造成高溫過熱器氧化皮脫落并堵塞管子而引起爆管。2.4機械清理高溫過熱器U型彎底部氧化皮聚積較多,且個別管子內氧化皮結成核狀,無法用高壓空氣或蒸汽吹管的方法處理,而用化學方法處理會造成鍋爐管子的損壞。因此,只能使用割管機械清理的方法。割下U型彎后,用銅棒敲擊垂直管子,使已經(jīng)松動的氧化皮倒出。U型彎內部清理后,用通球法100%通球檢查,全部清理后重新對口焊接。3熱器材質優(yōu)化將4號鍋爐高溫過熱器爆管SA-213TP3476H材質個別更換為超細晶粒度、抗氧化不銹鋼材質超級TP304H,同時通過各種技術措施,預防或減緩高溫過熱器氧化皮產生、脫落和聚積。3.1減少熱偏差、提升熱負荷高溫過熱器出口蒸汽溫度不超574℃,受熱面金屬溫度不超過590℃;屏式過熱器出口溫度不超過530℃,受熱面金屬溫度不超過600℃;高溫再熱器出口蒸汽溫度不超過574℃,受熱面金屬溫度不超過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行。運行中發(fā)現(xiàn)金屬溫度超過允許值,通過降低蒸汽溫度和運行方式調整以及蒸汽吹灰無效時應降低機組負荷;任何時候不允許蒸汽參數(shù)和受熱面金屬溫度長時間超過允許值。鍋爐運行中過熱器出口蒸汽溫度左右偏差不超過5℃,屏式過熱器出口蒸汽溫度左右偏差不超過10℃,再熱器出口蒸汽溫度左右偏差不超過10℃,并且運行中按照溫度高點控制蒸汽溫度。為防止爐膛熱工況擾動造成受熱面超溫,正常運行中一、二級減溫水和再熱器煙氣擋板應處于可調整的中間位置,再熱器事故減溫水應處于備用狀態(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機組正常升降負荷速率不斷完善熱工自動控制系統(tǒng),對給水、一、二級減溫水、再熱器溫度自動、負荷控制邏輯不斷進行改進,減輕系統(tǒng)溫度的周期性波動幅度和速率。機組運行中正常升、降負荷速率不超過10MW/min,在300~600MW負荷區(qū)間內升、降負荷要維持屏式過熱器、高溫過熱器、再熱器出口蒸汽溫度額定(屏過出口溫度530℃、高過出口571℃、高再出口569℃),如由于升降負荷的擾動造成上述溫度的波動率超過5℃/min,要適當降低機組的升、降負荷速率或暫停升降負荷,待溫度調整穩(wěn)定后繼續(xù)進行負荷變動操作。3.3.2控制滑動參數(shù)的停機期溫度的變化率機組正常停機要采用滑停方式。滑停過程中屏過、高過和高再出口蒸汽溫度的溫度變化率不高于2℃/min。3.3.3快速降低生產參數(shù)機組由于故障緊急停機,爐膛通風10min后立即停止送、引風機運行并關閉送風機出口和引風機進、出口擋板進行悶爐4h以上,防止受熱面溫度快速降低。如緊急停爐后需要對鍋爐進行冷卻,要控制高溫過熱器、屏式過熱器、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3℃/min,主、再熱降壓速率不大于0.3MPa/min;降壓結束后水冷壁上水控制啟動分離器溫度降低速率不高于3℃/min;啟動分離器儲水箱見水后方可啟動煙風系統(tǒng)進行通風冷卻;通風冷卻時根據(jù)環(huán)境溫度控制風機的出力,調整冷段過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控制蒸汽溫度機組冷態(tài)啟動過程中嚴格按照機組升溫控制曲線控制蒸汽溫度。在機組冷態(tài)啟動過程中機組并列前的溫升速率控制不高于3℃/min,機組并列后的升速率控制不高于2℃/min。鍋爐啟動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時不投粉,在單進雙出方式下運行的制粉系統(tǒng)盡量控制兩側均勻出粉。3.3.5機組熱態(tài)啟動過程中溫度變化率控制機組在冷態(tài)啟動過程中嚴格按照不同熱狀態(tài)的升溫控制曲線控制蒸汽溫度。在熱態(tài)啟動過程中,為防止受熱面金屬溫度降低,鍋爐的煙風系統(tǒng)要與其它系統(tǒng)同步啟動。煙風系統(tǒng)啟動后爐膛通風控制總風量為35%,在爐膛通風5min結束立即點火,點火后要盡快投入燃料量,控制屏過、高過、高再的溫升速率為(5~6)℃/min,防止受熱面金屬溫度降低。3.4鍋爐點火控制機組啟動期間嚴格進行冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質指標的控制,冷態(tài)沖洗分離器排水水質電導率<1μs/cm,Fe<100ppb前禁止鍋爐點火;熱態(tài)沖洗分離器排水Fe<50ppb前禁止鍋爐升溫、升壓。機組啟動階段,在高、低旁開啟前主蒸汽管道、高旁前、主汽門前、再熱蒸汽管道、中壓主汽門前疏水要開啟,發(fā)電機并列后再關閉上述疏水。3.5效果通過采取以上措施,經(jīng)過近半年運行,定期檢查表明,3、4號鍋爐高溫過熱器氧化皮產生、脫落和聚積得到有效控制,取得明顯的效果。4防止高溫過熱器氧化皮脫的技術措施(1)4號鍋爐高溫過熱器爆管的主要原因為:SA-213TP3476H材質晶粒度等級低,造成高溫過熱器氧化皮脫落并堵塞管子。(2)將4號鍋爐高溫過熱器爆管SA-213TP3476H材質個別更換為超細晶粒度、抗氧化不銹鋼材質,該措施可相對減緩高溫過熱器管子內壁的氧化速度,也可相對減少氧化皮的剝離。但由于不可能大面積更換材質,因此只能從運行的角度