循环流化床锅炉屏式过热器拉裂原因分析及预防对策.docx

循环流化床锅炉屏式过热器拉裂原因分析及预防对策大型循环流化床锅炉炉膛内广泛使用屏式受热面，以维持合理的床温和炉膛出口温度，结构多为1.型，下部穿过前墙水冷壁与前墙集箱连接,上部穿过顶棚水冷壁与炉顶集箱连接，整个受热面自下向上膨胀。屏式受热面双面曝光受热，壁温较水冷壁高很多，因此与水冷壁之间存在膨胀差，同时，屏式受热面同屏管子之间受集箱效应、流程差异、炉膛内温度分布差异等影响，水侧和烟气侧也存在较大热偏差，因此，若膨胀系统设计、安装不当，受热面膨胀受阻，容易发生变形，而随着循环流化床锅炉容量和参数的提高，受热面管屏增长，刚性和稳定性更差，弯曲变形更加普遍，管子拉裂爆漏也更常见。某电厂2台循环流化床锅炉2020年上半年集中出现屏式过热器管拉裂，电厂对拉裂爆漏管段取样进行失效分析，并根据分析结论进行了相应的整改，区域公司技术中心专家到现场跟踪指导，对屏式过热器拉裂问题进行更深入地检查和分析，提出进一步防范措施，以杜绝管子拉裂发生。1设备概况某电厂三期#5、#6锅炉为300MW亚临界、循环流化床燃烧锅炉，由1个膜式水冷壁炉膛、3台汽冷式旋风分离器和1个由汽冷包墙包覆的尾部竖井3部分组成。炉膛内前墙布置有12片屏式过热器管屏、6片屏式再热器管屏，后墙布置2片水冷蒸发屏。屏式过热器为1.型，水平段往炉后向上5。倾角，管子间通过固定块连接，垂直段为膜式结构，管子规格51mm×8mm,除#6锅炉第5屏、第8屏外，其余管子材质均为12CrIMoVG,#6锅炉第5屏、第8屏管材因投产初期超温泄漏等因素升级为T91,在屏式过热器下部转弯区域范围内设置有耐磨耐火材料。22020年上半年拉裂情况1）2020年1月，#5锅炉检修中发现屏式过热器第2屏第1根管（简称2-1管，以下同）、9-2管水平段固定块部位拉裂。2）2020年5月，#6锅炉调停过程出现屏式过热器3-1管弯头内弧侧销钉部位拉裂爆漏，检修中发现9-1管弯头内弧侧销钉部位拉裂。3）2020年6月，#6锅炉调停过程出现屏式过热器7-1管弯头内弧侧销钉部位拉裂爆漏，检修中发现21管、6口管、101管、12-1管弯头内弧侧销钉部位拉裂。3电厂进行的原因分析及采取措施3.1 爆口管段分析对2020年6月爆漏的#6锅炉屏式过热器71管弯头爆口管段分析：1）宏观检查，爆口部位销钉与管子连接为局部点焊，泄漏口在焊点的对侧，由外壁销钉根部起裂，并逐渐向内扩展直至贯穿管壁，弯头内弧侧泄漏部位附近发现大量具有疲劳特征的裂纹（见图1、图2）。IW<RBMM<W2）光谱分析、室温拉伸和布氏硬度试验，主要化学成分、材料性能、硬度均符合标准要求。3）管样弯头内弧侧、外弧侧以及泄漏口附近的金相组织检测，均为铁素体+珠光体+贝氏体组织，球化均为3级；对泄漏部位附近裂纹进行金相观察，裂纹内均填满氧化物，说明裂纹形成及扩展历经较长时间。4）综合宏观检查、金相检测及试验等分析结果，该泄漏口为疲劳开裂，与销钉的局部点焊方式有较大关系，在焊点对侧存在应力集中区，在交变应力作用下萌生微裂纹并迅速扩展。3.2 交变应力产生原因分析1）与该部位的结构有关。定位块及第1个弯头内弧侧销钉等部位焊缝复合应力大，同时外部耐磨耐火材料通过管子外壁焊接大量销钉和浇注方式固定，与管子结合较为紧密牢固，进一步限制了管子定位块、弯头等部位的自由膨胀，管屏受热膨胀应力无法释放。2）与机组频繁深度调峰有关。2019年3月以来2台机组频繁参与深度调峰，负荷在白天70%以上负荷和夜晚40%负荷间频繁升降，管子频繁发生热胀冷缩。3.3 温度测点布置不合理1）对第1根管下部弯头部位进行换管处理，取消弯头部位销钉.，以保证其能够自由膨胀。2）割开第14管之间水平段连接的固定块。3）尽量降低深度调峰频次，负荷调整过程严格控制温变率。4问题的提出为彻底解决循环流化床锅炉屏式过热器拉裂问题，区域公司技术中心专家到现场进一步调查，在现场检查、资料查阅、与技术人员沟通基础上，认为有2个方面需做进一步分析。1）查阅现场图片，#6锅炉屏式过热器弯头内弧侧销钉部位拉裂的管子的固定块均已在之前检修中割除，且7-1管水平段已更换过（见图3）。查看设备检修记录，7.1管在2016年2月锅炉水压试验时出现固定块部位泄漏进行换管处理。那么，采取取消第1根管弯头销钉和第14管之间固定块改造措施后，是否还存在其他拉裂泄漏隐患？2）将检修割除下来的第1根管弯头中内弧侧发现裂纹的弯头与未发现裂纹的弯头进行比对，一个很明显的特征是发现裂纹的弯头角度变化不大，接近设计角度95。，而出现裂纹的弯头均发生塑性变形，明显张开，弯头角度在110。120。，那么，这种情况是如何产生的？5进一步检查分析5.1 屏式过热器结构检查1）屏式过热器进、出口集箱及管道布置。进、出口集箱上采用带柔性弯的连接管与母管相连，母管向锅炉左、右侧引出至两侧管道，母管设有导向装置，热膨胀量通过管道加柔性弯和冷紧的方法吸收，因此排除集箱膨胀和管道推力方面因素对管屏向上自由膨胀的影响。2）屏式过热器顶部膨胀节及恒力弹簧吊架。#5、#6锅炉部分耐高温金属膨胀节存在变形严重情况，无法满足管屏向上自由膨胀，另外部分拉杆未松开，拉杆或端板根部一次性拉断，说明承受的拉应力不小。部分恒力弹簧吊架冷态时指标销在上限位，无预紧力，无法吸收管屏的向上位移。当热态管屏无法向上自由膨胀时，容易产生变形，当管屏变形后，在机组运行中整体应力将进一步加大。3）上部垂直段。上部垂直段为膜式结构，裸露在外，因此可以通过变形来释放应力，爆漏的#6锅炉第7屏上部垂直段变形十分严重，呈“S弯，其余下部弯头发现裂纹的上部垂直段也呈现不同程度的“S弯。管屏变形，管子在炉内的长度增长，循环物料的流动发生改变，内部工质流动阻力也加大，壁温有所增加，同等负荷变化情况下管屏的膨胀收缩量更大。4）下部水平段及弯头部位。屏式过热器下部水平段与前墙水冷壁的穿墙密封采用固定结构，为膨胀死点，炉内水平段及弯头部位外包裹耐磨耐火材料，为减轻应力集中，未采用鳍片整体焊接，管子间焊有固定块，因此，下部管屏受热膨胀应力无法释放时，应力主要集中在固定块焊缝部位，内侧管子短和弯头曲率半径小，整体应力就更集中，拉裂首先发生在最内侧几根管子间固定块焊缝部位，当固定块割除后，相应管子弯头部位就成了应力集中部位，弯头内弧侧销钉取消后，只是消除了弯头一个主要的薄弱部位，因外部约束未消除，弯头部位集中应力仍然较大，#6锅炉屏式过热器第4屏、第6屏耐磨耐火材料在弯头内弧侧开裂特征也在一定程度上反映了弯头部位的受力情况（见图4）.5.2 比对分析查阅#5、#6锅炉设备台账，投产以来屏式受热面拉裂问题均发生在屏式过热器管屏上,而同为1.型的屏式再热器未出现过，进行比对分析如下：D管子材质及规格不同。屏式再热器管子材质为T91,规格为4）76mm6mm,屏式过热器除#6锅炉第5屏、第8屏管子材质为T91外，其余材质为12CrlMoVG,规格均为51mm×8mm,而#6锅炉第5屏、第8屏也未出现过拉裂问题。查阅资料，钢材从20到550温度的平均线性膨胀系数，T91为12.4（10-C）,12CrlMoVG为14.6（IO-夕,同等温升温降情况下，12CZ1.MoVG材料的膨胀或收缩量更大；钢材450、500、550高温规定塑性延伸强度，T91分别不小于337MPa、306MPa、260MPa,12CrlMoVG材料不小于211MPa.201MPa.187MPa,同等温度条件下T91强度更高。2）管屏尺寸不同。屏式再热器垂直段长度为18020mm,内侧水平段为3192mm,管屏宽度为3738mm,屏式过热器垂直段为20850mm,内侧水平段为2922mm,管屏宽度为3556mm,因此屏式再热器更加“矮胖，刚度更大，在炉膛中的位置更高，受炉膛温度变化影响更小。3）汽温主要调节方式不同。屏式再热器是最后一级再热器，汽温调节主要靠烟气挡板控制低温再热器出口温度，而屏式过热器为中间级过热器，过热器调节方式为一级、二级减温水控制F一级过热器进口温度，因此负荷升降时屏式再热器汽温变化更小且更平缓，壁温升降速率也更小。4）布置形式不同。为保证蒸汽的质量流速，屏式过热器串联布置，进、出口集箱均在炉顶，6屏由上向下，6屏由下向上，蒸汽流量偏差较大，屏式再热器并联布置，进口集箱在下部前墙，出口集箱在炉顶，6屏由下向上，蒸汽流量偏差相对较小（如图5所示）。U)<kitAS<X5.3 运行工况分析查阅2019年3月以来#5、#6机组深度调峰较频繁时的负荷曲线,每日大致类似,在40%70%负荷间变化，而屏式过热器为辐射式受热面，在低负荷时，吸收辐射热的份额增加，同时，蒸汽质量流速降低，导致屏式过热器出口蒸汽温度普遍高于满负荷，甚至造成管壁过热,一般最高壁温出现在锅炉60%70%负荷，此时管屏的膨胀量接近最大范围，强度接近最低。5.4 交变应力作用分析管屏热位移无法通过膨胀节及支吊架释放，管屏发生变形，刚度下降，管子在炉内的长度增长，同等负荷变化情况下管屏膨胀收缩量与水冷壁的差异更大,当机组启动或升负荷时,膨胀量差异大造成垂直段变形加大，弯头内弧侧存在较大压应力，当机组停运或降负荷时，收缩量差异大造成一端为膨胀死点的管屏水平段不能与垂直段同步向上收缩,造成弯头角度变大和内弧侧存在较大拉应力（如图6所示）。机组频繁参与深度调峰，管子频繁热胀冷缩,弯头内弧侧产生明显的疲劳裂纹，而内弧侧销钉焊点对侧应力最集中，裂纹最先萌生且扩展最迅速，最先贯穿，当弯头销钉取消后，内弧侧部位的疲劳裂纹的扩展速度有所减小，但终会贯穿，而2台锅炉屏式过热器拉裂问题大多数是在停运检修时发现，说明锅炉熄火后冷却过程中管屏持续存在较大的拉应力。5.5 调查结果分析D屏式过热器存在炉顶穿墙膨胀节变形、集箱恒力弹簧吊架失载等问题，导致管屏无法自由向上膨胀。2）从屏式过热器管拉裂、炉顶膨胀节部分拉杆及端板根部一次性拉断等情况分析，管屏存在的热膨胀应力比较大，只要这种热应力未有效释放，还会对弯头或其他薄弱环节造成损伤。3）屏式再热器与屏式过热器相比，管子更加“粗大，管屏更加“矮胖”，材料线性膨胀系数更小和强度更高，工况变化时温变率更小，蒸汽流量偏差相对更小，管子拉裂隐患少，因此屏式过热器管材料升级等针对性改造，有利于防止管子拉裂。4）机组频繁参与深度调峰，管子热胀冷缩，容易热疲劳，而管子拉裂大多数是在停运检修时发现，说明锅炉熄火后冷却过程中管屏持续存在较大的拉应力，因此，锅炉熄火后仍需注意控制受热面管壁温度下降速率。6进一步采取的措施D对炉顶上部变形严重的膨胀节及相应的穿墙密封结构进行更换，对恒力弹簧吊架进行重新校核、调整。2）对管屏水平段管子间的固定方式或固定块型式进行优化，消除因管子间膨胀不一致应力集中造成的对管子的拉裂。3）优化弯头部位的耐磨耐火材料固定方式，取消弯头及两端一定范围内的销钉，保证弯头部位有一定的柔性。4）结合机组灵活性改造时机对管屏进行整体升级改造，改造时应根据现有掺烧煤种情况对膨胀量进行重新计算。5）严格控制机组启停及升降负荷速率，根据锅炉各受热面管壁温度变化情况优化锅炉熄火后的各项操作和闷炉时间。7结论1）该电厂屏式过热器拉裂除与定位块及第1个弯头内弧侧销钉等部位焊缝集中应力因素有关外，还与炉顶穿墙膨胀节变形、集箱恒力弹簧吊架失载、下部转弯区域耐磨耐火材料限制等导致管屏无法自由膨胀有直接关系。2）频繁深度调峰交变应力作用是导致屏式过热器疲劳拉裂的重要因素，但随着风力、光伏等新能源发电大规模投产、并网，调峰缺口将迅速扩大，提高调峰能力是趋势，针对设备状况进行机组灵活性改造是解决当前矛盾的一种途径。3）对锅炉部件失效分析，必须了解锅炉相应部件的设计资料和运行工况，掌握部件的特点、失效模式等，制定全方位防范措施，以保证锅炉运行的可靠性。文献信息陈永生.循环流化床锅炉屏式过热器拉裂原因分析及预防团.中国特种设备安全,2023,39（02）:66-70.附参考资料：电厂锅炉屏式过热器开裂泄漏原因分析1、前言某厂#2锅炉系由某锅炉厂采用美国燃烧工程公司（CE）的引进技术设计和制造的型号为HG102018.58YM22的亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉。采用平衡通风、四角切圆燃烧方式，紧身封闭，固态排渣，全钢架悬吊结构汽包炉，燃用烟煤，整体呈“五”型布置。#2锅炉于2005年9月21日投产，已累计运行约120000h.,锅炉的主要技术参数见表1。表锅炉主要技术参数名称堂位BMCXTHAt102092!过热勒MPMX)18511141过於“入出口属度543543再t923313779再以藁包口压力MPa(三)4J2539M再IW再出口压力MPMt)41»3746期赚，包口温度3骗193M37XMlK,4*.<flK#2锅炉屏式过热器在炉膛上方折焰角前沿宽度方向布置20屏，屏式过热器最外圈下部钢管材质为TP347H、规格为60x10.0mm；U型夹屏管材质为TP347H、规格为54×8.0mm（2019年，#2锅炉在检修过程中发现屏式过热器右向左数第11屏外1圈内弯和第14屏的U型夹屏管内弯位置发生开裂泄漏。进一步扩检又发现第7屏外1圈（出口）、第8屏夹屏管、第10屏外1圈（入口）、第12屏外1圈（入口）、第13屏外1圈（出口）、第14屏夹屏管、第16排夹屏管的弯管部位也存在裂纹。为了找出屏式过热器钢管开裂原因，确保机组的安全稳定运行，对#2锅炉开裂的屏式过热器管段进行取样试验分析。2、引用标准和文件D1./T4382016火力发电厂金属技术监督规程D1./T9392016火力发电厂锅炉受热面管监督技术导则D1./T8842019火电厂金相检验与评定技术导则GB/T1H702008不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）GB/T228.12010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T53102017高压锅炉用无缝钢管D1./T1422201618Cr-8Ni系列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化评级标准GB/T105612005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法GB/T63942017金属平均晶粒度测定方法GB/T231.12018金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法3、试验内容及结果3.1 宏观检查对开裂的屏式过热器管段宏观形貌进行检查，如图1.图2所示。可以看出，屏式过热器钢管的开裂部位主要位于最外圈TP347H管段的90C弯管的内弧侧和最内圈U型夹屏管的内弧侧，裂口为2条或多条裂纹沿钢管周向平行分布，长度为Sl2周长；裂口开口细小且平直，裂口处及附近钢管未见明显减薄、胀粗、机械损伤、腐蚀损伤及严重氧化皮等缺陷。直管段未见开裂缺陷。将屏式过热器弯管部位的裂纹剖开，以观察其断口形貌，如图3所示。可以看出，钢管的原始断口区域整体氧化严重，但在局部区域可以观察到较为明显的“海滩状”疲劳辉纹形貌。整体(b)开裂处图1开裂屏式过热器最外圈管宏观形貌整体(b)开裂处图2开裂的屏式过热器夹屏管宏观形貌宏观形貌(b)微距形貌图3开裂的屏式过热器管断口形貌3.2 断口微区分析利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪对断口微区的形貌及可能存在的腐蚀性产物进行分析。图4所示为断口微区SEM形貌，可以看出在断口的扩展区可以观察到较为清晰的疲劳条带；人工撕裂区则呈现典型的“韧窝状”韧性断裂特征。（八）扩展区(b)人工撕裂区图4屏式过热器管断口SEM形貌图5所示为断口各区域的能谱分析结果。可以看出，断口表面沉积物主要为Fe.Cr.Ni、。和S等元素，未见奥氏体钢敏感的Cl元素等卤族元素存在。图5屏式过热器管断口EDS谱图3.3 化学成分分析用Spectromaxx型台式直读光谱仪对泄漏屏式过热器TP347H管段的金属基体进行成分分析，分析结果见表2。可以看出，屏式过热器钢管的主要合金成分与标准对TP347H材质的要求相一致。表2屏式过热器TP347H钢管化学成分检测结果3.4 金相分析对开裂的屏式过热器管的各部位取样进行金相分析。图6图8所示为屏式过热器最外圈钢管各部位的金相组织。开裂弯管的纵向截面宏观金相显示，开裂处为多条裂纹平行分布，自外壁向内壁扩展。钢管的组织为奥氏体+晶界析出相，局部伴生有李晶。晶内存在较多稍粗化的第二相，晶界上有较多明显粗化的第二相，一些呈链状分布，处于4级重度老化状态；组织中未见大量滑移线存在。裂口处氧化严重，裂纹呈平直状的穿晶扩展形式分布，未见“树枝状”的分叉扩展形貌及晶界开裂特征。钢管内壁未见严重氧化皮、晶间裂纹及应力腐蚀裂纹；组织中未见严重夹杂物，晶粒度为7-8级，见图6。对应的未开裂弯管处的组织状态与开裂弯管处基本一致，见图九远离开裂弯管处的直管部位的金相组织状态与弯管处的组织基本一致，见图8。（八）纵截面宏观金相(b)主裂口(c)裂纹尖端(d)组织(e)抛光态(f)内壁图6最外圈钢管管开裂弯管处的金相组织（八）外壁(b)组织图7最外圈钢管未开裂弯管处的金相组织（八）外壁(b)组织图8最外圈钢管直管部位的金相组织图9图10所示为屏式过热器底部U型夹屏管各部位的金相组织。可以看出，夹屏管开裂弯管的纵向截面宏观金相显示，开裂处为多条裂纹平行分布，自外壁向内壁扩展。钢管的组织为奥氏体+晶界析出相，局部伴生有李晶；晶粒的晶内存在较多粗化的第二相，晶界上有较多明显粗化的第二相，一些呈链状分布，处于4级重度老化状态；组织中未见大量滑移线存在。裂口处氧化严重，裂纹整体呈平直状的穿晶扩展形式分布，未见“树枝状”的分叉穿晶扩展形貌及沿晶开裂特征。钢管内壁未见严重氧化皮、晶间裂纹及应力腐蚀裂纹；组织中未见严重夹杂物，晶粒度为78级，见图9。远离开裂弯管处的直管部位的金相组织状态与开裂弯管处的组织基本一致，见图10。(b)主裂口(c)内壁(d)组织100X(e)组织500X图9U型夹屏管开裂弯管处金相组织（八）内壁(b)外壁(c)组织图IOU型夹屏管直管部位金相组织利用能谱分析技术(EDS)对开裂的TP347H弯管的组织中特别是晶界处的析出物进行分析，结果如图"所示。可以看出，在晶界上析出的第二相中含有大量的主要成分为FaCr的金属间化合物，即脆性的。相。（八）测试部位(b)谱图图11开裂弯管组织析出物EDS分析结果3.5 力学性能测试对开裂的屏式过热器最外圈TP347H管段及最内圈的U型夹屏管TP347H管段取样进行常温拉伸性能测试，对开裂弯管部位及直管部位进行硬度测试，结果见表3。可以看出，TP347H钢管的屈服强度、抗拉强度及弯管的硬度等均符合标准要求，但其断后伸长率己下降至低于标准要求最低限的水平。表3屏式过热器管力学性能测试结果目MPa执拉8度MPa断后伸长率峥度HB1«IMWGBT5310-2017>20552O235140-1923246291的IJM4、综合分析评价从开裂形貌分析，屏式过热器钢管的开裂部位尽管氧化严重，但断口局部区域仍可以观察到较为明显的“海滩状”疲劳辉纹形貌特征。断口微区的形貌显示，在扩展区可以观察到较为清晰的疲劳条带。断口微区的能谱分析结果显示，断口上并未有Cl元素的存在。从化学成分分析,屏式过热器钢管的主要合金成分与标准对TP347H材质的要求相一致,可以排除材质错用的情况。从金相组织分析，开裂弯管的纵向截面宏观金相显示为多条裂纹平行分布，自外壁向内壁扩展。钢管的组织己发生重度老化；裂纹呈平直状的穿晶扩展形式分布，未见“树枝状”分叉穿晶扩展形貌及沿晶开裂特征，说明不存在应力腐蚀开裂及敏化引发的晶间腐蚀开裂的情况。此外，对应的未开裂弯管处及直管部位的组织状态与开裂弯管处基本一致，未见大量滑移线的存在，说明TP347H弯管在制造过程中的弯制加工后进行了有效的固溶处理。组织中析出物的能谱分析结果显示，析出相中存在很大比例的脆性。相。从力学性能分析，屏式过热器TP347H管段的强度及弯管的硬度等均符合标准要求，但其断后伸长率己下降至低于标准要求。TP347H作为电站锅炉常用的高温抗蠕变材料，其本身具有优良的韧性及塑性。但使用经验表明，其在520°C820°C温度下长期加热会大量析出。脆性相。该机组已累计运行超过120000小时，且屏式过热器管的运行温度又介于易于形成脆性相的温度区间，势必会造成组织中大量脆性相的析出进而弱化材料的塑性和韧性，使得材料发生脆化。5、结论及建议综上分析认为，本次#2锅炉屏式过热器开裂泄漏的主要原因为：屏式过热器的TP347H管材在长期高温环境下使用已发生严重老化，使得材料的脆性增大、塑性和韧性不足、疲劳抗力下降。锅炉运行过程中进行的反更的起停炉及负荷变化操作过，会在屏式过热器管屏底部弯管部位形成交变的膨胀收缩载荷作用，导致在应力集中且已发生组织脆化的弯管内弧侧产生疲劳开裂进而引发钢管的泄漏。建议，首先应排查其他同类型受热面管是否存在类似开裂现象，发现问题及时处理；其次，鉴于屏式过热器TP347H管段的材质已严重老化，造成材料脆化及塑性不足，且已有多屏的多根TP347H弯管发生开裂的情况，应至少对屏式过热器各屏的最外圈及U型夹屏管的弯管进行彻底更换；再者，应优化并严格执行运行制度，避免频繁起停及短时、大幅值的负荷变化等异常工况的频繁出现，以避免类似开裂泄漏再次。