高温再热器频繁泄漏原因与改造对策

(摘 要) 分析了西柏坡发电有限责任公司1 025 t/h锅炉高温再热器频繁泄漏的原因，制定了使用T91钢管替代钢研102管材，改造管排支吊及定位结构等措施，取得较好效果，经5年运行再未发生过泄漏。
(关键词) 高温再热器；泄漏；改造
电站锅炉中的“四管”即过热器管、再热器管、省煤器管和水冷壁管。因再热器设计使用的是国产钢研102管材，管排结构设计不合理造成管子膨胀受阻和锅炉再热器管子频繁泄漏，从而严重影响电厂的安全性和经济性。为此河北西柏坡发电有限责任公司就高温再热器频繁泄漏问题进行了原因分析，并制定了相应的改造对策，取得了较好的效果。
1.设备概述
西柏坡发电有限责任公司总装机容量1 200 MW，4台锅炉为北京巴布科克-威尔科克斯有限责任公司生产的B&WB-1025/18.3-M型半露天、亚临界参数、一次再热、单锅筒、自然循环、平衡通风、固态排渣煤粉炉。炉膛由模式水冷壁构成，炉膛上部布置屏式过热器，炉膛遮焰角上方布置两组高温过热器，在水平烟道上布置了垂直高温再热器，尾部竖井由中隔墙分成前后两个烟道，前部布置水平再热器，后布置低温过热器和省煤器。
2.高温再热器频繁泄漏的原因分析
　 1号锅炉高温再热器自1993年12月投产至1997年12月，4年时间里共发生泄漏27次，更换管子67根。1995—1997年期间利用水压试验发现泄漏43处。1995年大修时更换21根严重热变形管子，上部承重管卡有1/3脱落。
2.1 选用管材不合适 　
钢研102的允许使用温度为600～620℃，但由于其性能不太稳定，推荐使用温度≤600℃。北京巴威公司设计计算高温再热器最高壁温为605℃，而运行中实测表明：炉外465～585℃，炉内(试验装测点)560～612℃。在锅炉启停时，尤其是在热态启动汽机冲转(旁路关闭)时，由于再热器缺乏冷却汽源，壁温(炉外)往往高于605℃，甚至达620℃以上。因此，在此恶劣的工作条件，高温再热器采用钢研102是不适宜的。
2.2 管材复杂造成膨胀偏差 　　
在锅炉再热器设计时，制造厂依据热力计算按再热器沿程壁温的不同采用了5种不同材质的管子(*60×4.5，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2MoWVB，TP304，T22)，但未充分考虑到不同管材线性热膨胀系数不同。高温再热器出口段材质、壁温不同，其膨胀量也必然不同。尤其是奥式体不锈钢TP304H，使用在壁温最高处，与其它管子的膨胀量相差很大。由于膨胀量大的管子和膨胀量小的管子相互制约，使膨胀量大的管子承受压应力，膨胀量小的管子则承受拉应力。这种应力将会在焊接性能差的管子焊口处表现出来，从而导致焊口焊趾处开裂泄漏。
2.3 管卡结构及工艺存在缺陷
　 再热器管排中管子间的导向定位板结构如图1所示，其上下间隙统一设计为15 mm。经实际测量导向定位板上下间隙不规则，有大有小，说明制造装配工艺有偏差。由于管子材质及长度不同，相邻两根管子受热膨胀时，产生相对位移，这个位移量往往大于导向定位板间隙，造成膨胀受阻，从而导致在导向定位板与管子的焊趾根部应力集中，将管子拉裂而泄漏。另外，定位导向板直接焊在管壁上，其焊接质量也很差，未熔合、咬坑、过烧缺陷严重。大修检查中发现，1号炉再热器2 301个导向定位板有30%～40%已脱落。 注：①一导向定位板；②导向定位环 图1 再热器导向定位板示意
2.4 综合原因分析
　 由于高温再热器壁温较高，达到了钢研102允许使用温度的极限值，另外，该炉再热器采用了5种不同材质的管子和导向定位板结构设计不当等因素，是造成再热器管子频繁泄漏的主要原因。
　现以高温再热器出口管组第1根与第8根为例，进一步说明管子泄漏原因。高温再热器出口管组第1根与第8根为同一管圈(见图2)。第1根管材为钢研102，计算壁温为590℃，线膨胀系数为13.7×10-6 mm/℃；第8根管子上部有7883mm长的TP304H，计算壁温为605℃，线膨胀系数为18.8×10-6 mm/℃。
　 如果以承重管卡子为死点，只计算不同材质但相同长度段(4 914 mm)的两种管子膨胀差如下： TP304H L1=(605-20)×18.8×10-6×4914=54.00 mm 钢研102 L2=(590-20)×13.7×10-6×4914=38.4 mm 胀差 △L=L1-L2=54-38.4=15.6 mm 注：①一炉外承重管卡；②炉内承重管卡；③一定位导向板 ④一钢研102同种钢或钢研102+12Cr1MoV异种钢焊缝 ⑤一钢102+TP304H异种钢焊缝 图2 高温再热器出口管组外管示意。
　 在运行状态，不考虑任何热偏差、也不考虑超温的可能性，同一管圈在不足5 m长的管子上就产生15.6 mm的膨胀差。同时由于胀差的存在，必然会在管圈上产生一个水平向前的分力F1，在膨胀力F2和F1的作用下，产生一个合力F，在这个F的作用下，使管子异种钢焊口焊接性能差的钢研102侧产生应力集中而开裂。
而且在运行工况下，高温再热器管子将承受很大的热应力，经试验说明不管是拉应力还是压应力，它们产生的应变将明显加速材料的析出过程。金相分析证明，正是管子在运行过程中金属晶界因发生了微量元素P的偏聚及网状碳化物的析出，而导致材料性能显著弱化，材质严重脆化后，在应力作用下发生了脆性开裂。
此外，由于管子之间的管卡设计不合理，只有15 mm的单向位移量，加上制造、安装误差，相邻管子之间常因膨胀量不同而导致管卡卡死，在管卡与管子的焊接部位产生应力集中，从而导致了管卡裂纹的产生。
3.高温再热器的改造
3.1 用T91管材取代钢研102T91钢是美国研制的9Cr1Mo钢，被美国ASTM列为锅炉用钢SA213-T91。主要用于电站锅炉过热器、再热器管。其主要特点是高温持久性能、蠕变性能优异，冲击韧性好，用于金属壁温≤625℃的高温过热器和金属壁温≤650℃的高温再热器管排及超临界锅炉高温集箱和主蒸汽管道；具有良好的冷加工性能和传热性能。利用T91取代钢研102和12Cr1MoV管材，这样解决了大量的异种钢焊接及不同材质管子存在涨差的问题。
3.2 改造管卡构造
将原承重管卡改造为套管式，增加管卡与管子焊接面积，提高其承重强度。将管排原定位导向定位板改造为夹手铐式管卡，增大了管子膨胀的自由度，消除了胀差产生的应力，避免了膨胀受阻引起的焊口应力集中和撕裂管壁的问题。
4.改造后情况
自1998年大修中对高温再热器改造至发稿时的5年时间里，设备运行稳定，从未发生过受热面泄漏，管排整齐无变形，管卡完好无脱落。
5.结 论
在管子材料设计较为复杂的高温再热器改造中，改用单一的T91钢是解决异种钢焊口过多和管子胀差而引起应力集中的有效途径之一；采用套管式承重管卡和对夹手铐式管卡，替代焊接式承重管卡及导向定位管卡，彻底解决了管卡脱落撕裂管子的弊端。笔者认为在同类型机组和同类型设计的高温再热器上采用上述方案是可行的、可靠的、有较高的应用价值。