超临界锅炉高温过热器爆管原因分析及预防措施

超临界锅炉高温过热器爆管原因分析及预防措施

2007年6月30日，大唐湘潭供电有限公司（以下简称“湘潭供电”）4号穿越锅炉运行不到4000小时，出现了高温过热器爆管。主要原因是，高温过热器管内的氧化层下落，并将其积聚在u型曲线底部。这降低了管道的通流量，提高了蒸汽的循环阻力。管道内的蒸汽流量相对较小，严重影响了管道的冷却效果，导致长时间呼唤过热器管的高温爆管。需要指出的是全国在运的超临界锅炉多次发生由于氧化皮层脱落造成锅炉受热面堵塞而短期过热爆管,因此有必要采取相应的技术措施,防止高温过热器氧化皮脱落。1锅炉装载量1.1超临界参数变压锅炉湘潭电厂二期工程3、4号锅炉为东方锅炉(集团)股份有限公司与东方-日立锅炉有限公司合作设计、生产制造的DG1900/25.4-Ⅱ1型600MW超临界参数变压直流本生锅炉。该炉采用П型布置,单炉膛、前后墙对冲燃烧方式,设计燃用贫煤。炉膛上部布置屏式过热器,水平烟道依次布置高温过热器和末级再热器,在尾部竖井的四周为包墙过热器。1.2过管屏tp高温过热器蛇形管布置在水冷壁折焰角上,沿炉宽方向布置有31片,管排横向节距S1=609.6mm,管子纵向节距S2=57mm。每片管屏由20根管子并联绕制而成,炉内受热面管子的材质均为国产SA213-TP347H。管屏内外圈管采用不同的管子规格,外圈管为Φ50.8×8.9mm,其余的为Φ45×7.8mm,顶棚以上材料为T91,顶棚以下为TP347H。1.37年6月天然气负荷率为3号机组从2006年4月1日统计以来,2006年总计运行3849.25h,开机11次,停机10次,最长连续运行时间为1554.55h,64.77天。2007年开机3次,停机4次。截至2007年6月,累计总发电量2735794MW·h,负荷率80.75%,总运行5646.85h。4号机组从2006年11月13日投产以来,2006年总计运行781.27h,开机1次,停机2次,最长连续运行时间为662.9h,27.62天。2007年开机4次,停机3次。截至2007年6月,累计总发电量1489906MW·h,负荷率79.16%,总运行3136.94h。2原因分析2.1管内皮氧化高温蒸汽管内壁生成氧化膜是个自然的过程,开始时氧化膜形成很快,一旦膜形成后氧化速度便减慢了。但随着运行时间的增加,在超温或温度、压力剧烈波动等情况下,由于管子母材和氧化膜不同的热膨胀能力,金属表面的氧化膜会产生裂纹,裂纹的存在使得基体金属直接暴露于氧化环境之中,加速了氧化的进程,氧化层也开始向双层、多层发展。高温过热器材料SA-213TP3476H为奥氏体不锈钢,当奥氏体不锈钢长时间处于高温高压的水蒸汽中时,管子内壁会自然的氧化。由于Cr的活性较高,在氧化的初始阶段,管子内表面会生成很薄的Cr2O3氧化膜,这层氧化膜的形成阻止了管子内壁进一步氧化。但随着运行时间的增加,氧化膜以下的基体相应地发生Cr的贫化,同时在超温或温度、压力剧烈波动等情况的作用下,外层氧化物出现细微的裂纹,Fe向氧化膜外扩散,大大恶化了其高温下的抗氧化能力,氧化发展速度加快,抗氧化性能降低,氧化层也开始向双层、多层发展。据有关资料介绍,氧化皮的生长速度与温度有着密切的关系。一般说来,在某个温度段(565~595℃),温度越高,氧化皮生长速度越快,而锅炉主蒸汽温度为571℃,在该温度下运行,管内壁氧化皮就会生长。高温氧化遵循抛物线规则进行,而TP347H管的氧化皮的热膨胀系数与基体材料的热膨胀系数有较大差异,在设备快速启停时,氧化皮容易脱落(几微米就可脱落),脱落后使基材暴露在蒸汽中,而抛物线特征为初期氧化速度极快,导致反复脱落,反复氧化,氧化速度加快,并且脱落的氧化皮反过来也降低此处管材的蒸汽流量,使其容易超温,并使管子氧化速度显著增加。2.2热膨胀能力的影响随着机组运行时间的延长,氧化膜的厚度增加,在锅炉的频繁启动、停炉或升降负荷过程中,管子温度变化幅度很大,由于母材和氧化膜的热膨胀能力不同,基体会对表面的氧化膜产生拉或压的作用,这些作用都会导致氧化膜开裂。SA-213TP3476H钢材的膨胀系数一般在(16~20)×10-6/℃,而氧化铁的膨胀系数一般在9.1×10-6/℃。由于膨胀系数的差异,在多层氧化层达到一定厚度,加上温度发生变化尤其是剧烈或反复变化,氧化皮很容易从金属本体剥离。2.3机组数量较多时,机组运行时总压温差首先剥离的氧化皮在U型弯的底部停滞,由于机组启动时的蒸汽流量较小,无法将其带走。脱落的氧化皮不断的积聚,数量较多时,即便机组启动后有了较大的蒸汽流量,也很难对其产生扰动并带走,被堵塞的管子壁温会异常升高,严重时会造成短期超温爆管。锅炉停运冷却过程中,部分蒸汽凝结成水后积于过热器U型管下部,淹没了剥落的氧化皮,随着U型管底部积水逐渐的自然蒸发,氧化皮一层紧贴一层,聚积成核状,堵死了高温过热器流通截面。2.4u2004sa-33tp396h材质4号机组运行时间短,机组启停次数少,4号锅炉受热面在调试期间和平时运行基本不超温,机组运行实际情况和调查情况表明,4号锅炉比3号锅炉各方面都好。造成4号锅炉高温过热器爆管的主要原因应为SA-213TP3476H材质,3号锅炉SA-213TP3476H材质为进口,4号锅炉SA-213TP3476H材质为国产,见表2。尽管4号锅炉高温过热器SA-213TP3476H材质主要成分符合国标,但国标中判断材质指标不全。国外多年研究,对SA-213TP3476H材质引入晶粒度等级,且要求晶粒度等级在7级以上。4号锅炉高温过热器SA-213TP3476H材质晶粒度等级为4.5级,因此爆管的主要原因应为SA-213TP3476H材质晶粒度等级低,造成高温过热器氧化皮脱落并堵塞管子而引起爆管。2.4机械清理高温过热器U型弯底部氧化皮聚积较多,且个别管子内氧化皮结成核状,无法用高压空气或蒸汽吹管的方法处理,而用化学方法处理会造成锅炉管子的损坏。因此,只能使用割管机械清理的方法。割下U型弯后,用铜棒敲击垂直管子,使已经松动的氧化皮倒出。U型弯内部清理后,用通球法100%通球检查,全部清理后重新对口焊接。3热器材质优化将4号锅炉高温过热器爆管SA-213TP3476H材质个别更换为超细晶粒度、抗氧化不锈钢材质超级TP304H,同时通过各种技术措施,预防或减缓高温过热器氧化皮产生、脱落和聚积。3.1减少热偏差、提升热负荷高温过热器出口蒸汽温度不超574℃,受热面金属温度不超过590℃;屏式过热器出口温度不超过530℃,受热面金属温度不超过600℃;高温再热器出口蒸汽温度不超过574℃,受热面金属温度不超过600℃。由于受热面可能存在较大的热偏差,受热面蒸汽温度的控制要服从金属温度,金属温度超温要视情况降低蒸汽温度运行。运行中发现金属温度超过允许值,通过降低蒸汽温度和运行方式调整以及蒸汽吹灰无效时应降低机组负荷;任何时候不允许蒸汽参数和受热面金属温度长时间超过允许值。锅炉运行中过热器出口蒸汽温度左右偏差不超过5℃,屏式过热器出口蒸汽温度左右偏差不超过10℃,再热器出口蒸汽温度左右偏差不超过10℃,并且运行中按照温度高点控制蒸汽温度。为防止炉膛热工况扰动造成受热面超温,正常运行中一、二级减温水和再热器烟气挡板应处于可调整的中间位置,再热器事故减温水应处于备用状态。3.3尽可能限制热层温度的周期性变化和温度变化率，减少氧化皮的坍塌3.3.1机组正常升降负荷速率不断完善热工自动控制系统,对给水、一、二级减温水、再热器温度自动、负荷控制逻辑不断进行改进,减轻系统温度的周期性波动幅度和速率。机组运行中正常升、降负荷速率不超过10MW/min,在300~600MW负荷区间内升、降负荷要维持屏式过热器、高温过热器、再热器出口蒸汽温度额定(屏过出口温度530℃、高过出口571℃、高再出口569℃),如由于升降负荷的扰动造成上述温度的波动率超过5℃/min,要适当降低机组的升、降负荷速率或暂停升降负荷,待温度调整稳定后继续进行负荷变动操作。3.3.2控制滑动参数的停机期温度的变化率机组正常停机要采用滑停方式。滑停过程中屏过、高过和高再出口蒸汽温度的温度变化率不高于2℃/min。3.3.3快速降低生产参数机组由于故障紧急停机,炉膛通风10min后立即停止送、引风机运行并关闭送风机出口和引风机进、出口挡板进行闷炉4h以上,防止受热面温度快速降低。如紧急停炉后需要对锅炉进行冷却,要控制高温过热器、屏式过热器、高温再热器出口蒸汽温度和上述受热面金属温度降温速率不超过3℃/min,主、再热降压速率不大于0.3MPa/min;降压结束后水冷壁上水控制启动分离器温度降低速率不高于3℃/min;启动分离器储水箱见水后方可启动烟风系统进行通风冷却;通风冷却时根据环境温度控制风机的出力,调整冷段过热器和冷段再热器入口烟气温度的降低速率不高于3℃/min。3.3.4控制蒸汽温度机组冷态启动过程中严格按照机组升温控制曲线控制蒸汽温度。在机组冷态启动过程中机组并列前的温升速率控制不高于3℃/min,机组并列后的升速率控制不高于2℃/min。锅炉启动中确保燃油燃烧完全,投粉均匀缓慢,汽温不发生突变,并尽量控制在蒸汽流量小于100t/h时不投粉,在单进双出方式下运行的制粉系统尽量控制两侧均匀出粉。3.3.5机组热态启动过程中温度变化率控制机组在冷态启动过程中严格按照不同热状态的升温控制曲线控制蒸汽温度。在热态启动过程中,为防止受热面金属温度降低,锅炉的烟风系统要与其它系统同步启动。烟风系统启动后炉膛通风控制总风量为35%,在炉膛通风5min结束立即点火,点火后要尽快投入燃料量,控制屏过、高过、高再的温升速率为(5~6)℃/min,防止受热面金属温度降低。3.4锅炉点火控制机组启动期间严格进行冷态冲洗和热态冲洗水质指标的控制,冷态冲洗分离器排水水质电导率<1μs/cm,Fe<100ppb前禁止锅炉点火;热态冲洗分离器排水Fe<50ppb前禁止锅炉升温、升压。机组启动阶段,在高、低旁开启前主蒸汽管道、高旁前、主汽门前、再热蒸汽管道、中压主汽门前疏水要开启,发电机并列后再关闭上述疏水。3.5效果通过采取以上措施,经过近半年运行,定期检查表明,3、4号锅炉高温过热器氧化皮产生、脱落和聚积得到有效控制,取得明显的效果。4防止高温过热器氧化皮脱的技术措施(1)4号锅炉高温过热器爆管的主要原因为:SA-213TP3476H材质晶粒度等级低,造成高温过热器氧化皮脱落并堵塞管子。(2)将4号锅炉高温过热器爆管SA-213TP3476H材质个别更换为超细晶粒度、抗氧化不锈钢材质,该措施可相对减缓高温过热器管子内壁的氧化速度,也可相对减少氧化皮的剥离。但由于不可能大面积更换材质,因此只能从运行的角度