(摘 要) 分析了西柏坡發(fā)電有限責任公司1 025 t/h鍋爐高溫再熱器頻繁泄漏的原因，制定了使用T91鋼管替代鋼研102管材，改造管排支吊及定位結構等措施，取得較好效果，經5年運行再未發(fā)生過泄漏。
(關鍵詞) 高溫再熱器；泄漏；改造
電站鍋爐中的“四管”即過熱器管、再熱器管、省煤器管和水冷壁管。因再熱器設計使用的是國產鋼研102管材，管排結構設計不合理造成管子膨脹受阻和鍋爐再熱器管子頻繁泄漏，從而嚴重影響電廠的安全性和經濟性。為此河北西柏坡發(fā)電有限責任公司就高溫再熱器頻繁泄漏問題進行了原因分析，并制定了相應的改造對策，取得了較好的效果。
1.設備概述
西柏坡發(fā)電有限責任公司總裝機容量1 200 MW，4臺鍋爐為北京巴布科克-威爾科克斯有限責任公司生產的B&WB-1025/18.3-M型半露天、亞臨界參數、一次再熱、單鍋筒、自然循環(huán)、平衡通風、固態(tài)排渣煤粉爐。爐膛由模式水冷壁構成，爐膛上部布置屏式過熱器，爐膛遮焰角上方布置兩組高溫過熱器，在水平煙道上布置了垂直高溫再熱器，尾部豎井由中隔墻分成前后兩個煙道，前部布置水平再熱器，后布置低溫過熱器和省煤器。
2.高溫再熱器頻繁泄漏的原因分析
1號鍋爐高溫再熱器自1993年12月投產至1997年12月，4年時間里共發(fā)生泄漏27次，更換管子67根。1995—1997年期間利用水壓試驗發(fā)現泄漏43處。1995年大修時更換21根嚴重熱變形管子，上部承重管卡有1/3脫落。
2.1 選用管材不合適
鋼研102的允許使用溫度為600～620℃，但由于其性能不太穩(wěn)定，推薦使用溫度≤600℃。北京巴威公司設計計算高溫再熱器最高壁溫為605℃，而運行中實測表明：爐外465～585℃，爐內(試驗裝測點)560～612℃。在鍋爐啟停時，尤其是在熱態(tài)啟動汽機沖轉(旁路關閉)時，由于再熱器缺乏冷卻汽源，壁溫(爐外)往往高于605℃，甚至達620℃以上。因此，在此惡劣的工作條件，高溫再熱器采用鋼研102是不適宜的。
2.2 管材復雜造成膨脹偏差
在鍋爐再熱器設計時，制造廠依據熱力計算按再熱器沿程壁溫的不同采用了5種不同材質的管子(*60×4.5，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2MoWVB，TP304，T22)，但未充分考慮到不同管材線性熱膨脹系數不同。高溫再熱器出口段材質、壁溫不同，其膨脹量也必然不同。尤其是奧式體不銹鋼TP304H，使用在壁溫最高處，與其它管子的膨脹量相差很大。由于膨脹量大的管子和膨脹量小的管子相互制約，使膨脹量大的管子承受壓應力，膨脹量小的管子則承受拉應力。這種應力將會在焊接性能差的管子焊口處表現出來，從而導致焊口焊趾處開裂泄漏。
2.3 管卡結構及工藝存在缺陷
再熱器管排中管子間的導向定位板結構如圖1所示，其上下間隙統(tǒng)一設計為15 mm。經實際測量導向定位板上下間隙不規(guī)則，有大有小，說明制造裝配工藝有偏差。由于管子材質及長度不同，相鄰兩根管子受熱膨脹時，產生相對位移，這個位移量往往大于導向定位板間隙，造成膨脹受阻，從而導致在導向定位板與管子的焊趾根部應力集中，將管子拉裂而泄漏。另外，定位導向板直接焊在管壁上，其焊接質量也很差，未熔合、咬坑、過燒缺陷嚴重。大修檢查中發(fā)現，1號爐再熱器2 301個導向定位板有30%～40%已脫落。 注：①一導向定位板；②導向定位環(huán) 圖1 再熱器導向定位板示意
2.4 綜合原因分析
由于高溫再熱器壁溫較高，達到了鋼研102允許使用溫度的極限值，另外，該爐再熱器采用了5種不同材質的管子和導向定位板結構設計不當等因素，是造成再熱器管子頻繁泄漏的主要原因。
現以高溫再熱器出口管組第1根與第8根為例，進一步說明管子泄漏原因。高溫再熱器出口管組第1根與第8根為同一管圈(見圖2)。第1根管材為鋼研102，計算壁溫為590℃，線膨脹系數為13.7×10-6 mm/℃；第8根管子上部有7883mm長的TP304H，計算壁溫為605℃，線膨脹系數為18.8×10-6 mm/℃。
如果以承重管卡子為死點，只計算不同材質但相同長度段(4 914 mm)的兩種管子膨脹差如下： TP304H L1=(605-20)×18.8×10-6×4914=54.00 mm 鋼研102 L2=(590-20)×13.7×10-6×4914=38.4 mm 脹差 △L=L1-L2=54-38.4=15.6 mm 注：①一爐外承重管卡；②爐內承重管卡；③一定位導向板 ④一鋼研102同種鋼或鋼研102+12Cr1MoV異種鋼焊縫 ⑤一鋼102+TP304H異種鋼焊縫 圖2 高溫再熱器出口管組外管示意。
在運行狀態(tài)，不考慮任何熱偏差、也不考慮超溫的可能性，同一管圈在不足5 m長的管子上就產生15.6 mm的膨脹差。同時由于脹差的存在，必然會在管圈上產生一個水平向前的分力F1，在膨脹力F2和F1的作用下，產生一個合力F，在這個F的作用下，使管子異種鋼焊口焊接性能差的鋼研102側產生應力集中而開裂。
而且在運行工況下，高溫再熱器管子將承受很大的熱應力，經試驗說明不管是拉應力還是壓應力，它們產生的應變將明顯加速材料的析出過程。金相分析證明，正是管子在運行過程中金屬晶界因發(fā)生了微量元素P的偏聚及網狀碳化物的析出，而導致材料性能顯著弱化，材質嚴重脆化后，在應力作用下發(fā)生了脆性開裂。
此外，由于管子之間的管卡設計不合理，只有15 mm的單向位移量，加上制造、安裝誤差，相鄰管子之間常因膨脹量不同而導致管卡卡死，在管卡與管子的焊接部位產生應力集中，從而導致了管卡裂紋的產生。
3.高溫再熱器的改造
3.1 用T91管材取代鋼研102T91鋼是美國研制的9Cr1Mo鋼，被美國ASTM列為鍋爐用鋼SA213-T91。主要用于電站鍋爐過熱器、再熱器管。其主要特點是高溫持久性能、蠕變性能優(yōu)異，沖擊韌性好，用于金屬壁溫≤625℃的高溫過熱器和金屬壁溫≤650℃的高溫再熱器管排及超臨界鍋爐高溫集箱和主蒸汽管道；具有良好的冷加工性能和傳熱性能。利用T91取代鋼研102和12Cr1MoV管材，這樣解決了大量的異種鋼焊接及不同材質管子存在漲差的問題。
3.2 改造管卡構造
將原承重管卡改造為套管式，增加管卡與管子焊接面積，提高其承重強度。將管排原定位導向定位板改造為夾手銬式管卡，增大了管子膨脹的自由度，消除了脹差產生的應力，避免了膨脹受阻引起的焊口應力集中和撕裂管壁的問題。
4.改造后情況
自1998年大修中對高溫再熱器改造至發(fā)稿時的5年時間里，設備運行穩(wěn)定，從未發(fā)生過受熱面泄漏，管排整齊無變形，管卡完好無脫落。
5.結 論
在管子材料設計較為復雜的高溫再熱器改造中，改用單一的T91鋼是解決異種鋼焊口過多和管子脹差而引起應力集中的有效途徑之一；采用套管式承重管卡和對夾手銬式管卡，替代焊接式承重管卡及導向定位管卡，徹底解決了管卡脫落撕裂管子的弊端。筆者認為在同類型機組和同類型設計的高溫再熱器上采用上述方案是可行的、可靠的、有較高的應用價值。
(關鍵詞) 高溫再熱器；泄漏；改造
電站鍋爐中的“四管”即過熱器管、再熱器管、省煤器管和水冷壁管。因再熱器設計使用的是國產鋼研102管材，管排結構設計不合理造成管子膨脹受阻和鍋爐再熱器管子頻繁泄漏，從而嚴重影響電廠的安全性和經濟性。為此河北西柏坡發(fā)電有限責任公司就高溫再熱器頻繁泄漏問題進行了原因分析，并制定了相應的改造對策，取得了較好的效果。
1.設備概述
西柏坡發(fā)電有限責任公司總裝機容量1 200 MW，4臺鍋爐為北京巴布科克-威爾科克斯有限責任公司生產的B&WB-1025/18.3-M型半露天、亞臨界參數、一次再熱、單鍋筒、自然循環(huán)、平衡通風、固態(tài)排渣煤粉爐。爐膛由模式水冷壁構成，爐膛上部布置屏式過熱器，爐膛遮焰角上方布置兩組高溫過熱器，在水平煙道上布置了垂直高溫再熱器，尾部豎井由中隔墻分成前后兩個煙道，前部布置水平再熱器，后布置低溫過熱器和省煤器。
2.高溫再熱器頻繁泄漏的原因分析
1號鍋爐高溫再熱器自1993年12月投產至1997年12月，4年時間里共發(fā)生泄漏27次，更換管子67根。1995—1997年期間利用水壓試驗發(fā)現泄漏43處。1995年大修時更換21根嚴重熱變形管子，上部承重管卡有1/3脫落。
2.1 選用管材不合適
鋼研102的允許使用溫度為600～620℃，但由于其性能不太穩(wěn)定，推薦使用溫度≤600℃。北京巴威公司設計計算高溫再熱器最高壁溫為605℃，而運行中實測表明：爐外465～585℃，爐內(試驗裝測點)560～612℃。在鍋爐啟停時，尤其是在熱態(tài)啟動汽機沖轉(旁路關閉)時，由于再熱器缺乏冷卻汽源，壁溫(爐外)往往高于605℃，甚至達620℃以上。因此，在此惡劣的工作條件，高溫再熱器采用鋼研102是不適宜的。
2.2 管材復雜造成膨脹偏差
在鍋爐再熱器設計時，制造廠依據熱力計算按再熱器沿程壁溫的不同采用了5種不同材質的管子(*60×4.5，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2MoWVB，TP304，T22)，但未充分考慮到不同管材線性熱膨脹系數不同。高溫再熱器出口段材質、壁溫不同，其膨脹量也必然不同。尤其是奧式體不銹鋼TP304H，使用在壁溫最高處，與其它管子的膨脹量相差很大。由于膨脹量大的管子和膨脹量小的管子相互制約，使膨脹量大的管子承受壓應力，膨脹量小的管子則承受拉應力。這種應力將會在焊接性能差的管子焊口處表現出來，從而導致焊口焊趾處開裂泄漏。
2.3 管卡結構及工藝存在缺陷
再熱器管排中管子間的導向定位板結構如圖1所示，其上下間隙統(tǒng)一設計為15 mm。經實際測量導向定位板上下間隙不規(guī)則，有大有小，說明制造裝配工藝有偏差。由于管子材質及長度不同，相鄰兩根管子受熱膨脹時，產生相對位移，這個位移量往往大于導向定位板間隙，造成膨脹受阻，從而導致在導向定位板與管子的焊趾根部應力集中，將管子拉裂而泄漏。另外，定位導向板直接焊在管壁上，其焊接質量也很差，未熔合、咬坑、過燒缺陷嚴重。大修檢查中發(fā)現，1號爐再熱器2 301個導向定位板有30%～40%已脫落。 注：①一導向定位板；②導向定位環(huán) 圖1 再熱器導向定位板示意
2.4 綜合原因分析
由于高溫再熱器壁溫較高，達到了鋼研102允許使用溫度的極限值，另外，該爐再熱器采用了5種不同材質的管子和導向定位板結構設計不當等因素，是造成再熱器管子頻繁泄漏的主要原因。
現以高溫再熱器出口管組第1根與第8根為例，進一步說明管子泄漏原因。高溫再熱器出口管組第1根與第8根為同一管圈(見圖2)。第1根管材為鋼研102，計算壁溫為590℃，線膨脹系數為13.7×10-6 mm/℃；第8根管子上部有7883mm長的TP304H，計算壁溫為605℃，線膨脹系數為18.8×10-6 mm/℃。
如果以承重管卡子為死點，只計算不同材質但相同長度段(4 914 mm)的兩種管子膨脹差如下： TP304H L1=(605-20)×18.8×10-6×4914=54.00 mm 鋼研102 L2=(590-20)×13.7×10-6×4914=38.4 mm 脹差 △L=L1-L2=54-38.4=15.6 mm 注：①一爐外承重管卡；②爐內承重管卡；③一定位導向板 ④一鋼研102同種鋼或鋼研102+12Cr1MoV異種鋼焊縫 ⑤一鋼102+TP304H異種鋼焊縫 圖2 高溫再熱器出口管組外管示意。
在運行狀態(tài)，不考慮任何熱偏差、也不考慮超溫的可能性，同一管圈在不足5 m長的管子上就產生15.6 mm的膨脹差。同時由于脹差的存在，必然會在管圈上產生一個水平向前的分力F1，在膨脹力F2和F1的作用下，產生一個合力F，在這個F的作用下，使管子異種鋼焊口焊接性能差的鋼研102側產生應力集中而開裂。
而且在運行工況下，高溫再熱器管子將承受很大的熱應力，經試驗說明不管是拉應力還是壓應力，它們產生的應變將明顯加速材料的析出過程。金相分析證明，正是管子在運行過程中金屬晶界因發(fā)生了微量元素P的偏聚及網狀碳化物的析出，而導致材料性能顯著弱化，材質嚴重脆化后，在應力作用下發(fā)生了脆性開裂。
此外，由于管子之間的管卡設計不合理，只有15 mm的單向位移量，加上制造、安裝誤差，相鄰管子之間常因膨脹量不同而導致管卡卡死，在管卡與管子的焊接部位產生應力集中，從而導致了管卡裂紋的產生。
3.高溫再熱器的改造
3.1 用T91管材取代鋼研102T91鋼是美國研制的9Cr1Mo鋼，被美國ASTM列為鍋爐用鋼SA213-T91。主要用于電站鍋爐過熱器、再熱器管。其主要特點是高溫持久性能、蠕變性能優(yōu)異，沖擊韌性好，用于金屬壁溫≤625℃的高溫過熱器和金屬壁溫≤650℃的高溫再熱器管排及超臨界鍋爐高溫集箱和主蒸汽管道；具有良好的冷加工性能和傳熱性能。利用T91取代鋼研102和12Cr1MoV管材，這樣解決了大量的異種鋼焊接及不同材質管子存在漲差的問題。
3.2 改造管卡構造
將原承重管卡改造為套管式，增加管卡與管子焊接面積，提高其承重強度。將管排原定位導向定位板改造為夾手銬式管卡，增大了管子膨脹的自由度，消除了脹差產生的應力，避免了膨脹受阻引起的焊口應力集中和撕裂管壁的問題。
4.改造后情況
自1998年大修中對高溫再熱器改造至發(fā)稿時的5年時間里，設備運行穩(wěn)定，從未發(fā)生過受熱面泄漏，管排整齊無變形，管卡完好無脫落。
5.結 論
在管子材料設計較為復雜的高溫再熱器改造中，改用單一的T91鋼是解決異種鋼焊口過多和管子脹差而引起應力集中的有效途徑之一；采用套管式承重管卡和對夾手銬式管卡，替代焊接式承重管卡及導向定位管卡，徹底解決了管卡脫落撕裂管子的弊端。筆者認為在同類型機組和同類型設計的高溫再熱器上采用上述方案是可行的、可靠的、有較高的應用價值。
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