一台420MW超临界燃煤机组水冷壁管破裂原因探讨及解决对策

文军华能集团香港公司北京市西城区复兴门内大街4号邮编：100031Discussiononrootcauseofwaterwalltubefailureona420MWcoalfiredsupercriticalunitandthepossibleresolutionJunWenAddr.No.4FuxingmenNeidajie,Beijing,China,100031ABSTRACT:A420MWcoalfiredsupercriticalunithasexperiencedtwoincidentsofwaterwalltubefailureinashorttimeperiod.Thepaperanalyzesthepossiblerootcausesandgivessomerecommendationstoaddressthisissue.KEYWORD:circumferentialcrackingthermalfatigueoverheatingclinkeroxidedepositionwaterwalltube摘要：一台420MW的超临界燃煤机组接连发生了两次水冷壁爆管事故，本文对可能的事故原因进行了分析，并提出了解决对策。关键词：周向裂纹热疲劳过热结渣氧化物沉积水冷壁管1．背景：该机组于2001年投产，为超临界燃煤机组，采用前后墙对冲燃烧方式，前墙布置3层燃烧器，后墙2层，5台中速磨，每台磨各带一层燃烧器。炉膛下部燃烧器区域的水冷壁管为螺旋布置方式，过燃烧器区域后，改为竖直上升。机组有关参数如下：蒸发量(atBMCR)1,281,326kg/h主蒸汽压力25.88MPa主蒸汽温度569oC再热蒸汽压力4.3MPa再热蒸汽温度568oC给水温度315oC炉膛宽度18,360mm炉膛深度12,667mm炉膛高度46,900mm(冷灰斗拐点到炉顶)2005年4月14日和16日分别发生了一次水冷壁爆管事故，爆管位置在炉膛两侧墙中心线附近，大约炉膛标高20米的地方，对应于第2排燃烧器的高度，这也是炉膛内热流密度最大的地方。水冷壁管爆裂的裂纹为周向裂纹，即垂直于管子的轴向方向。爆裂管一台420MW超临界燃煤机组水冷壁管破裂原因探讨及解决对策子附近的管子上也多处发现有周向、细小的裂纹。该台机组发生爆管事故时累计运行小时数为35000小时。水冷壁管爆管位置2．水冷壁爆管原因分析2．1水冷壁管温度波动该机组自投产以来一直存在比较严重的结渣现象。自发生爆管事故后，为查明原因，在全炉膛内安装了22只热流计，以监测结渣和管子壁温的变化情况。测量结果显示，由于不断发生结渣-掉渣过程，向火侧金属壁温的变化幅度很大很快，在30秒的时间内波动幅度能达到70-100C范围内，而且频率很高，几乎每20分钟就发生一次结渣-掉渣过程。图1：水冷壁爆管处管壁温度波动影响水冷壁管温度波动的因素主要是煤质情况、负荷以及磨煤机组合方式。当煤质变差时，特别是当煤灰中的含铁量超过15%时，锅炉结渣加重，掉渣频繁，管壁温度波动大；机组负荷高时，结渣加重，管壁温度波动大；在某种磨煤机组合方式下，结渣加重，管壁温度也波动大。2．2水冷壁管金相分析开裂管子表现出来的特征与EPRI出版的“锅炉爆管：理论与实践，第2卷：与水接触的管子”中描写的超临界水冷壁管开裂机理非常相似。主要相似的特征是发生在向火侧管子外表面上的周向裂纹的模式，带有规则的间隔分布的二次裂纹。裂纹的特征也是典型的，具有楔状、氧化物填充的外表，裂纹的氧化物中分布着的硫成分。裂纹以一种渐进的形式发展，显示出这是一种疲劳热开裂。通常认为引发疲劳开裂所需要的温度波动与锅炉的结渣-掉渣过程有关，但有一点，正如在有关的参考文献中所说的，仅有温度波动通常并不足以引发开裂。随着管子内表面沉积物的增加，管壁温度升高，从而管壁温度负荷剧烈波动13815030035040045050055060065021:0022:0023:000:001:002:003:004:005:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:000:001:002:003:004:005:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00010020030040012-08-0512-08-0512-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0513-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-0514-08-05管壁温度负荷剧烈波动有可能引发爆管。在有些事例中，这种内表面的沉积物以波纹状磁铁物的形式出现，特别是在所有采用了除氧器给水处理的炉子中容易生成。一个用来控制这种波纹状磁铁沉积物的方法是采用给水加氧处理，正像在这台机组上采用的一样。在这台机组上并没有生成波纹状的磁铁沉积物，但有管子过热以及大量内表面氧化物沉积的现象。对开裂管子横断面的显微测量显示，平均氧化物的厚度为64um，最大88.9um。氧化物相对致密，紧紧地附着在管子表面，似乎是蒸汽生成型氧化物，而不是工质中沉淀下来的氧化物。这一点似乎也可以从在氧化物中发现有锘和钼的成分得到证实，因为合乎逻辑的解释是这些元素是从基质材料中扩散出来的。管壁金属在微观结构上显示出一种梯度分布，靠近中心的金属有轻度的退化，靠近外表面的金属是球形结构。基于以上这些微观表现，以及机组运行了3万多小时，估计管壁金属的温度梯度大概是中心480C，外表面540C。这两个温度都大大超过了设计的在这个位置处的预期运行温度范围400-425C。相对较陡的温度梯度暗示了很高的热流密度也许是管子破裂的一个主要原因。为了分析水冷壁管爆裂的原因，沿着整个炉膛水冷壁取了18根管子，对这18根管子进行了金相检查，以此分析沿着整个炉膛水冷壁管内壁氧化膜的厚度和分布情况以及可能的管子过热损害。分析结果显示，沿着炉膛高度方向，内壁氧化膜的厚度逐渐增加，管子的微观组织退化程度也逐渐增加。这是由于工质温度逐渐升高所致。向火侧管子内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。一般来说，采用给水加氧处理的超临界机组的水冷壁的沉积型氧化物（多孔）的生长速度是75-150um/100,000小时。该机组在取管子样时的运行小时数大约是35,000小时。图像显示，几乎所有取样管子内壁的氧化物很致密，是自我氧化生成的。通常管子内壁的氧化物由一层薄而致密的氧化物和一层厚而多孔的氧化物组成。这种外观上的不同可以通过对比一台丹麦的407MW的超临界机组的水冷壁管内壁氧化物的情况清楚地显示出来。导致这种不同的原因正在分析中。图2：一台丹麦超临界机组水冷壁管内壁氧化膜的微观结构图3：该机组水冷壁管内壁氧化膜的微观结构在2005年9月的大修中，从该机组后墙靠近折焰角的地方取了一根管子进行金相分析，结果显示，其内壁氧化膜却显示出了致密层和多孔氧化层的结构，致密层的平均厚度是21um，多孔层的厚度在2-73um的范围内。图4：该机组后墙水冷壁管内壁氧化膜的微观结构致密层的热传导性比多孔层的好，因此同样厚度的致密氧化膜相对于多孔氧化膜在向火侧的金属管壁内产生的温度梯度较小。这样再加上在整个炉膛内测量到的氧化膜的厚度，显示出该台机组单靠内壁氧化膜是不会导致向火侧金属壁温高于其他的锅炉的。通过对取样管子的微观结构观察，以分析这些管子的运行温度。分析结果表明，大多数从第7层及其以下位置取的管子没有显示出严重退化的迹象，向火侧平均金属温度估计在414-428C之间，这个温度范围很接近设计的金属温度了。一根从第7层上取的管子和所有从第8层和第9层取的管子其估计的平均金属温度在464-480C范围内。这个温度范围虽然比设计值稍稍高了一些，但仍大大低于金属材料的温度限值。这些结果显示在该机组炉膛下部水冷壁破裂管子上观察到的过热损坏现象不能代表整个炉膛的情况。在破裂管子内壁上生成的致密氧化膜的形成机理可能是一个局部的现象。金相分析还显示发生了爆管的管子的向火侧外表面运行温度估计有540C，而内表面温度为480C。2．3锅炉制造商对水冷壁管开裂原因的分析锅炉制造商的看法是:在该台机组上发生的由于结渣-掉渣过程导致的在高热流区域水冷壁管的温度波动也在该锅炉制造商其它超临界锅炉上发生过，且程度类似。周向裂纹也在至少一台该锅炉制造商的其它超临界锅炉上发生过。由于结渣-掉渣过程的周期性发生，管壁温度不断波动，使得管壁表面的保护性氧化膜不断开裂，氧化过程得以深入管壁，管子表面金属氧化物不断增加，结果导致了裂纹的发生和成长。第一次发生爆管事件的管子的微观结构显示管子外表面和内表面之间有很大的温度梯度。估计管子外表面和内表面的平均温度分别是593C和455C。管子外表面的最高温度可能超过了600C。这么大的温度梯度显示出管子曾经经历过非常高的热流强度，估计达到600kW/m2，这是这个部位通常热流值的两倍。这么高的热流强度发生在一个较小的面积上，2m2，引起了管子的过热。管子内外表面的巨大温度梯度在管子轴向方向上产生了很大的应力，在这种不断变化的热应力的作用下，裂纹产生了。一个可能导致如此局部化的过热现象的原因是燃烧不正常导致的火焰刷墙。一个值得注意的事情是，锅炉制造商估计的管子内外表面温度差达到138C，而先前金相检查认为只有不到60C。管子过热的原因有两个，一个是锅炉制造商认为的火焰刷墙，另一个可能是工质侧换热过程的恶化。如果是由火焰刷墙引起的，那么：管子外表面的热流强度将非常大，这会在金属管壁中产生很大的温度梯度。管子外表面的温度也将很高，如果热流强度足够大的话，也会导致工质侧换热过程的恶化。如果是工质侧换热过程的恶化引起的，那么：管壁表面的热流强度不会很大，因此管子内外表面间的温度梯度也不会超过正常值。由于膜式沸腾或其他原因，管子和工质间的换热系数将会很低。这将导致管子内壁温度很高，从而导致外表面的温度也很高。因此，如果很大的温度梯度只能由很大的热流密度（不是工质侧换热过程的恶化）产生，而且最后的金相报告显示确实存在这么一个很大的温度梯度的话，那么导致管子过热的最大可能就是火焰刷墙或其他能产生更高热流密度的情况。因此从金相检查中分析管壁的温度梯度就非常关键了。不过要在很小的区域内产生很大的且不断变化的热流密度的条件是非常苛刻的，比如燃烧器严重变形，燃烧器被渣块堵住，燃烧器的旋流叶片开度很小而煤量很大，油枪火焰的偏斜等。图5：2002年5月至11月间中间联箱的温度目前电厂正在调查历史数据，看引起火焰异常的条件是否发生过，目前为止的调查显示，不存在可能引起燃烧异常的运行条件和设置。去年该台机组在大修中沿着炉膛安装了热流计，热流计显示热流密度没有超过320kW/m2的，这说明很高的热流密度不是在正常运行条件下发生的。尽管产生过高热流密度的原因可能永远不会被发现，但仍有可能对周向裂纹的发展进行成功的控制。如果导致管子过热和裂纹发展的原因是一个一次性的事件，而且锅炉制造商认为的没有受到过热影响的管子的裂纹生长速度比较慢是正确的，那么只要在计划检修中监测裂纹的生长，并及时替换局部过热的管子