1、一臺420MW超臨界燃煤機組水冷壁管破裂原因探討及解決對策文軍華能集團香港公司 北京市西城區復興門內大街4號 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, Beijing, China, 100031ABSTRACT: A 420MW coal fired supercritical unit has exper

2、ienced 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 overheating clinker oxide deposition waterwall tube摘要：一臺420MW的超臨界燃煤機組接連發生了兩次水冷壁爆

3、管事故，本文對可能的事故原因進行了分析，并提出了解決對策。關鍵詞：周向裂紋 熱疲勞 過熱 結渣 氧化物沉積 水冷壁管1背景：該機組于2001年投產，為超臨界燃煤機組，采用前后墻對沖燃燒方式，前墻布置3層燃燒器，后墻2層，5臺中速磨，每臺磨各帶一層燃燒器。爐膛下部燃燒器區域的水冷壁管為螺旋布置方式，過燃燒器區域后，改為豎直上升。機組有關參數如下：蒸發量 (at BMCR)1,281,326 kg/h主蒸汽壓力 25.88 MPa主蒸汽溫度 569 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

4、,900 mm(冷灰斗拐點到爐頂)2005年4月14日和16日分別發生了一次水冷壁爆管事故，爆管位置在爐膛兩側墻中心線附近，大約爐膛標高20米的地方，對應于第2排燃燒器的高度，這也是爐膛內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現有周向、細小的裂紋。該臺機組發生爆管事故時累計運行小時數為35000小時。水冷壁管爆管位置2水冷壁爆管原因分析21 水冷壁管溫度波動管壁溫度負荷劇烈波動該機組自投產以來一直存在比較嚴重的結渣現象。自發生爆管事故后，為查明原因，在全爐膛內安裝了22只熱流計，以監測結渣和管子壁溫的變化情況。測量結果顯示，由于不

5、斷發生結渣-掉渣過程，向火側金屬壁溫的變化幅度很大很快，在30秒的時間內波動幅度能達到70-100C范圍內，而且頻率很高，幾乎每20分鐘就發生一次結渣-掉渣過程。劇烈波動管壁溫度負荷圖1：水冷壁爆管處管壁溫度波動影響水冷壁管溫度波動的因素主要是煤質情況、負荷以及磨煤機組合方式。當煤質變差時，特別是當煤灰中的含鐵量超過15%時，鍋爐結渣加重，掉渣頻繁，管壁溫度波動大；機組負荷高時，結渣加重，管壁溫度波動大；在某種磨煤機組合方式下，結渣加重，管壁溫度也波動大。22 水冷壁管金相分析開裂管子表現出來的特征與EPRI出版的“鍋爐爆管：理論與實踐，第2卷：與水接觸的管子”中描寫的超臨界水冷壁管開裂機理非

6、常相似。主要相似的特征是發生在向火側管子外表面上的周向裂紋的模式，帶有規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。裂紋以一種漸進的形式發展，顯示出這是一種疲勞熱開裂。通常認為引發疲勞開裂所需要的溫度波動與鍋爐的結渣-掉渣過程有關，但有一點，正如在有關的參考文獻中所說的，僅有溫度波動通常并不足以引發開裂。隨著管子內表面沉積物的增加，管壁溫度升高，從而有可能引發爆管。在有些事例中，這種內表面的沉積物以波紋狀磁鐵物的形式出現，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

7、這臺機組上采用的一樣。在這臺機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內表面氧化物沉積的現象。對開裂管子橫斷面的顯微測量顯示，平均氧化物的厚度為64um，最大88.9um。氧化物相對致密，緊緊地附著在管子表面，似乎是蒸汽生成型氧化物，而不是工質中沉淀下來的氧化物。這一點似乎也可以從在氧化物中發現有锘和鉬的成分得到證實，因為合乎邏輯的解釋是這些元素是從基質材料中擴散出來的。管壁金屬在微觀結構上顯示出一種梯度分布，靠近中心的金屬有輕度的退化，靠近外表面的金屬是球形結構。基于以上這些微觀表現，以及機組運行了3萬多小時，估計管壁金屬的溫度梯度大概是中心480 C，外表面540 C。這兩個

8、溫度都大大超過了設計的在這個位置處的預期運行溫度范圍400-425 C。相對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主要原因。為了分析水冷壁管爆裂的原因，沿著整個爐膛水冷壁取了18根管子，對這18根管子進行了金相檢查，以此分析沿著整個爐膛水冷壁管內壁氧化膜的厚度和分布情況以及可能的管子過熱損害。分析結果顯示，沿著爐膛高度方向，內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。這是由于工質溫度逐漸升高所致。向火側管子內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組的水冷壁的沉積型氧化

9、物（多孔）的生長速度是75-150um/100,000小時。該機組在取管子樣時的運行小時數大約是35,000小時。圖像顯示，幾乎所有取樣管子內壁的氧化物很致密，是自我氧化生成的。通常管子內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比一臺丹麥的407MW的超臨界機組的水冷壁管內壁氧化物的情況清楚地顯示出來。導致這種不同的原因正在分析中。圖2：一臺丹麥超臨界機組水冷壁管內壁氧化膜的微觀結構圖3：該機組水冷壁管內壁氧化膜的微觀結構在2005年9月的大修中，從該機組后墻靠近折焰角的地方取了一根管子進行金相分析，結果顯示，其內壁氧化膜卻顯示出了致密層和多孔氧化

10、層的結構，致密層的平均厚度是21um，多孔層的厚度在2-73um的范圍內。圖4：該機組后墻水冷壁管內壁氧化膜的微觀結構致密層的熱傳導性比多孔層的好，因此同樣厚度的致密氧化膜相對于多孔氧化膜在向火側的金屬管壁內產生的溫度梯度較小。這樣再加上在整個爐膛內測量到的氧化膜的厚度，顯示出該臺機組單靠內壁氧化膜是不會導致向火側金屬壁溫高于其他的鍋爐的。通過對取樣管子的微觀結構觀察，以分析這些管子的運行溫度。分析結果表明，大多數從第7層及其以下位置取的管子沒有顯示出嚴重退化的跡象，向火側平均金屬溫度估計在414-428 C之間，這個溫度范圍很接近設計的金屬溫度了。一根從第7層上取的管子和所有從第8層和第9層

11、取的管子其估計的平均金屬溫度在464-480 C范圍內。這個溫度范圍雖然比設計值稍稍高了一些，但仍大大低于金屬材料的溫度限值。這些結果顯示在該機組爐膛下部水冷壁破裂管子上觀察到的過熱損壞現象不能代表整個爐膛的情況。在破裂管子內壁上生成的致密氧化膜的形成機理可能是一個局部的現象。金相分析還顯示發生了爆管的管子的向火側外表面運行溫度估計有540C，而內表面溫度為480C。23 鍋爐制造商對水冷壁管開裂原因的分析鍋爐制造商的看法是:· 在該臺機組上發生的由于結渣-掉渣過程導致的在高熱流區域水冷壁管的溫度波動也在該鍋爐制造商其它超臨界鍋爐上發生過，且程度類似。· 周向裂紋也在至少一

12、臺該鍋爐制造商的其它超臨界鍋爐上發生過。· 由于結渣-掉渣過程的周期性發生，管壁溫度不斷波動，使得管壁表面的保護性氧化膜不斷開裂，氧化過程得以深入管壁，管子表面金屬氧化物不斷增加，結果導致了裂紋的發生和成長。· 第一次發生爆管事件的管子的微觀結構顯示管子外表面和內表面之間有很大的溫度梯度。· 估計管子外表面和內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。· 這么大的溫度梯度顯示出管子曾經經歷過非常高的熱流強度，估計達到600 kW/m2，這是這個部位通常熱流值的兩倍。· 這么高的熱流強度發生在一

13、個較小的面積上，2 m2，引起了管子的過熱。· 管子內外表面的巨大溫度梯度在管子軸向方向上產生了很大的應力，在這種不斷變化的熱應力的作用下，裂紋產生了。· 一個可能導致如此局部化的過熱現象的原因是燃燒不正常導致的火焰刷墻。一個值得注意的事情是，鍋爐制造商估計的管子內外表面溫度差達到138C，而先前金相檢查認為只有不到60C。管子過熱的原因有兩個，一個是鍋爐制造商認為的火焰刷墻，另一個可能是工質側換熱過程的惡化。如果是由火焰刷墻引起的，那么：· 管子外表面的熱流強度將非常大，這會在金屬管壁中產生很大的溫度梯度。· 管子外表面的溫度也將很高，如果熱流強度足夠

14、大的話，也會導致工質側換熱過程的惡化。如果是工質側換熱過程的惡化引起的，那么：· 管壁表面的熱流強度不會很大，因此管子內外表面間的溫度梯度也不會超過正常值。· 由于膜式沸騰或其他原因，管子和工質間的換熱系數將會很低。· 這將導致管子內壁溫度很高，從而導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（不是工質側換熱過程的惡化）產生， 而且最后的金相報告顯示確實存在這么一個很大的溫度梯度的話，那么導致管子過熱的最大可能就是火焰刷墻或其他能產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鍵了。SuperheatedStartup P

15、ressure300 MW不過要在很小的區域內產生很大的且不斷變化的熱流密度的條件是非常苛刻的，比如燃燒器嚴重變形，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月間中間聯箱的溫度目前電廠正在調查歷史數據，看引起火焰異常的條件是否發生過，目前為止的調查顯示，不存在可能引起燃燒異常的運行條件和設置。去年該臺機組在大修中沿著爐膛安裝了熱流計，熱流計顯示熱流密度沒有超過320 kW/m2的，這說明很高的熱流密度不是在正常運行條件下發生的。盡管產生過高熱流密度的原因可能永遠不會被發現，但仍有可能對周向裂紋的發展進行成功的控制。如果導致管子過熱和裂紋發

16、展的原因是一個一次性的事件，而且鍋爐制造商認為的沒有受到過熱影響的管子的裂紋生長速度比較慢是正確的，那么只要在計劃檢修中監測裂紋的生長，并及時替換局部過熱的管子，管子的使用壽命就可以得到保證。如果過熱現象不再發生了，那么由于周向裂紋引起的爆管事故可能就會被最終克服。24 中間聯箱的溫度對中間聯箱溫度進行分析的目的是確定在中間聯箱是否曾經有過長時間的高溫，這可能與發生爆管處的工質溫度聯系起來。結果顯示，盡管確實有過高的工質溫度，但它們都沒有持續很長時間。當然如果管子燒干了，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。這有可能在低負荷以及亞臨界狀態下發生。中間聯箱的第17、18號熱電偶位

17、于西側墻爆管管子的下游，第3、4號熱電偶位于東側墻爆管管子的下游。這些熱電偶的溫度與工質壓力的曲線見圖5。這段期間的數據顯示這些熱電偶的溫度通常處于飽和溫度，但有時也處于過熱溫度。由于數據的間隔時間是10分鐘，在過熱溫度下的數據點數表明處于過熱狀態下的總時間是比較短的。進一步的分析將可能提供關于爆管處的工質情況。如果在爆管的位置曾經發生膜式沸騰和過熱現象，那么為什么會發生在這個部位而不是在燃盡風的位置呢？爆管位置都位于爐膛的下部。一個可能的解釋是臨界熱流密度只存在于燃燒器區域。不過安裝在爐膛上的熱流計顯示沿著爐膛的高度方向，熱流密度的變化并不大。對數據的進一步分析將可能揭示出中間聯箱過熱流體的

18、重要性。25 爐膛內其它地方的水冷壁管溫度波動和熱流密度· 記錄下來的最大熱流密度發生在兩側墻中心線，位于中間層燃燒器標高處（> 300 kW/m2）· 其他的低于中間聯箱的熱流計紀錄下來的最大熱流密度在250-280 kW/m2之間。· 高于中間聯箱的熱流計紀錄下來的最大熱流密度是200 kW/m2。· 最容易結渣的部位包括：o 兩側墻下部中心線附近o 緊鄰后墻燃盡風噴口上部· 不管煤質情況和磨煤機投運情況如何，這兩個部位都不斷的結渣。· 當煤質情況不好時，例如當灰中的含鐵量超過15%時，爐膛內其他的部位也容易結渣。以上的觀察

19、證實了在爆管位置不僅有最高的熱流密度，而且有最頻繁的結渣-掉渣過程。26 減少水冷壁管溫度波動的嘗試為了減少水冷壁管溫度波動的幅度和頻率，電廠到目前為止進行了許多嘗試。如進行燃燒調整，改變燃燒設置，但這個方法被證實對溫度波動沒有很大影響。空氣炮被安裝在側墻上來除去側墻的渣。當渣達到一定的尺寸后，空氣炮通常能把它們除去。但不幸的是，當空氣炮能發揮作用的時候，渣塊通常已經很大了，結果當渣塊被打掉時產生了很大的溫度波動。目前正在對空氣炮進行一些改進以增加空氣炮的打擊力量和打擊頻率。通過打開看火孔進行了一種簡單的貼壁風試驗。空氣從看火孔處進入爐膛，希望能改變貼壁的氣氛并進行局部的冷卻，從而改變結渣狀況。但試驗結果并不理想，這可能是由于試驗方法太粗糙的緣故。將來可能會特制一種噴射空氣的設備重新進行貼壁風試驗。3水冷壁疲勞爆管控制策略水冷壁管疲勞開裂導致爆管的風險依然存在，如何控制周向裂紋的發展成了保證機組穩定運行的一個重要方面。控制螺旋管段的水冷壁管的熱疲勞裂紋的策略有：· 確定導致管子過熱的原因· 發展一種利用