(摘 要) 分析了西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司1 025 t/h鍋爐高溫再熱器頻繁泄漏的原因，制定了使用T91鋼管替代鋼研102管材，改造管排支吊及定位結(jié)構(gòu)等措施，取得較好效果，經(jīng)5年運行再未發(fā)生過泄漏。
(關(guān)鍵詞) 高溫再熱器；泄漏；改造
電站鍋爐中的“四管”即過熱器管、再熱器管、省煤器管和水冷壁管。因再熱器設(shè)計使用的是國產(chǎn)鋼研102管材，管排結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成管子膨脹受阻和鍋爐再熱器管子頻繁泄漏，從而嚴(yán)重影響電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為此河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司就高溫再熱器頻繁泄漏問題進(jìn)行了原因分析，并制定了相應(yīng)的改造對策，取得了較好的效果。
1.設(shè)備概述
西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司總裝機(jī)容量1 200 MW，4臺鍋爐為北京巴布科克-威爾科克斯有限責(zé)任公司生產(chǎn)的B&WB-1025/18.3-M型半露天、亞臨界參數(shù)、一次再熱、單鍋筒、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣煤粉爐。爐膛由模式水冷壁構(gòu)成，爐膛上部布置屏式過熱器，爐膛遮焰角上方布置兩組高溫過熱器，在水平煙道上布置了垂直高溫再熱器，尾部豎井由中隔墻分成前后兩個煙道，前部布置水平再熱器，后布置低溫過熱器和省煤器。
2.高溫再熱器頻繁泄漏的原因分析
　 1號鍋爐高溫再熱器自1993年12月投產(chǎn)至1997年12月，4年時間里共發(fā)生泄漏27次，更換管子67根。1995—1997年期間利用水壓試驗發(fā)現(xiàn)泄漏43處。1995年大修時更換21根嚴(yán)重?zé)嶙冃喂茏?，上部承重管卡?/3脫落。
2.1 選用管材不合適 　
鋼研102的允許使用溫度為600～620℃，但由于其性能不太穩(wěn)定，推薦使用溫度≤600℃。北京巴威公司設(shè)計計算高溫再熱器最高壁溫為605℃，而運行中實測表明：爐外465～585℃，爐內(nèi)(試驗裝測點)560～612℃。在鍋爐啟停時，尤其是在熱態(tài)啟動汽機(jī)沖轉(zhuǎn)(旁路關(guān)閉)時，由于再熱器缺乏冷卻汽源，壁溫(爐外)往往高于605℃，甚至達(dá)620℃以上。因此，在此惡劣的工作條件，高溫再熱器采用鋼研102是不適宜的。
2.2 管材復(fù)雜造成膨脹偏差 　　
在鍋爐再熱器設(shè)計時，制造廠依據(jù)熱力計算按再熱器沿程壁溫的不同采用了5種不同材質(zhì)的管子(*60×4.5，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2MoWVB，TP304，T22)，但未充分考慮到不同管材線性熱膨脹系數(shù)不同。高溫再熱器出口段材質(zhì)、壁溫不同，其膨脹量也必然不同。尤其是奧式體不銹鋼TP304H，使用在壁溫最高處，與其它管子的膨脹量相差很大。由于膨脹量大的管子和膨脹量小的管子相互制約，使膨脹量大的管子承受壓應(yīng)力，膨脹量小的管子則承受拉應(yīng)力。這種應(yīng)力將會在焊接性能差的管子焊口處表現(xiàn)出來，從而導(dǎo)致焊口焊趾處開裂泄漏。
2.3 管卡結(jié)構(gòu)及工藝存在缺陷
　 再熱器管排中管子間的導(dǎo)向定位板結(jié)構(gòu)如圖1所示，其上下間隙統(tǒng)一設(shè)計為15 mm。經(jīng)實際測量導(dǎo)向定位板上下間隙不規(guī)則，有大有小，說明制造裝配工藝有偏差。由于管子材質(zhì)及長度不同，相鄰兩根管子受熱膨脹時，產(chǎn)生相對位移，這個位移量往往大于導(dǎo)向定位板間隙，造成膨脹受阻，從而導(dǎo)致在導(dǎo)向定位板與管子的焊趾根部應(yīng)力集中，將管子拉裂而泄漏。另外，定位導(dǎo)向板直接焊在管壁上，其焊接質(zhì)量也很差，未熔合、咬坑、過燒缺陷嚴(yán)重。大修檢查中發(fā)現(xiàn)，1號爐再熱器2 301個導(dǎo)向定位板有30%～40%已脫落。 注：①一導(dǎo)向定位板；②導(dǎo)向定位環(huán) 圖1 再熱器導(dǎo)向定位板示意
2.4 綜合原因分析
　 由于高溫再熱器壁溫較高，達(dá)到了鋼研102允許使用溫度的極限值，另外，該爐再熱器采用了5種不同材質(zhì)的管子和導(dǎo)向定位板結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)?shù)纫蛩?，是造成再熱器管子頻繁泄漏的主要原因。
　現(xiàn)以高溫再熱器出口管組第1根與第8根為例，進(jìn)一步說明管子泄漏原因。高溫再熱器出口管組第1根與第8根為同一管圈(見圖2)。第1根管材為鋼研102，計算壁溫為590℃，線膨脹系數(shù)為13.7×10-6 mm/℃；第8根管子上部有7883mm長的TP304H，計算壁溫為605℃，線膨脹系數(shù)為18.8×10-6 mm/℃。
　 如果以承重管卡子為死點，只計算不同材質(zhì)但相同長度段(4 914 mm)的兩種管子膨脹差如下： TP304H L1=(605-20)×18.8×10-6×4914=54.00 mm 鋼研102 L2=(590-20)×13.7×10-6×4914=38.4 mm 脹差 △L=L1-L2=54-38.4=15.6 mm 注：①一爐外承重管卡；②爐內(nèi)承重管卡；③一定位導(dǎo)向板 ④一鋼研102同種鋼或鋼研102+12Cr1MoV異種鋼焊縫 ⑤一鋼102+TP304H異種鋼焊縫 圖2 高溫再熱器出口管組外管示意。
　 在運行狀態(tài)，不考慮任何熱偏差、也不考慮超溫的可能性，同一管圈在不足5 m長的管子上就產(chǎn)生15.6 mm的膨脹差。同時由于脹差的存在，必然會在管圈上產(chǎn)生一個水平向前的分力F1，在膨脹力F2和F1的作用下，產(chǎn)生一個合力F，在這個F的作用下，使管子異種鋼焊口焊接性能差的鋼研102側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中而開裂。
而且在運行工況下，高溫再熱器管子將承受很大的熱應(yīng)力，經(jīng)試驗說明不管是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，它們產(chǎn)生的應(yīng)變將明顯加速材料的析出過程。金相分析證明，正是管子在運行過程中金屬晶界因發(fā)生了微量元素P的偏聚及網(wǎng)狀碳化物的析出，而導(dǎo)致材料性能顯著弱化，材質(zhì)嚴(yán)重脆化后，在應(yīng)力作用下發(fā)生了脆性開裂。
此外，由于管子之間的管卡設(shè)計不合理，只有15 mm的單向位移量，加上制造、安裝誤差，相鄰管子之間常因膨脹量不同而導(dǎo)致管卡卡死，在管卡與管子的焊接部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致了管卡裂紋的產(chǎn)生。
3.高溫再熱器的改造
3.1 用T91管材取代鋼研102T91鋼是美國研制的9Cr1Mo鋼，被美國ASTM列為鍋爐用鋼SA213-T91。主要用于電站鍋爐過熱器、再熱器管。其主要特點是高溫持久性能、蠕變性能優(yōu)異，沖擊韌性好，用于金屬壁溫≤625℃的高溫過熱器和金屬壁溫≤650℃的高溫再熱器管排及超臨界鍋爐高溫集箱和主蒸汽管道；具有良好的冷加工性能和傳熱性能。利用T91取代鋼研102和12Cr1MoV管材，這樣解決了大量的異種鋼焊接及不同材質(zhì)管子存在漲差的問題。
3.2 改造管卡構(gòu)造
將原承重管卡改造為套管式，增加管卡與管子焊接面積，提高其承重強(qiáng)度。將管排原定位導(dǎo)向定位板改造為夾手銬式管卡，增大了管子膨脹的自由度，消除了脹差產(chǎn)生的應(yīng)力，避免了膨脹受阻引起的焊口應(yīng)力集中和撕裂管壁的問題。
4.改造后情況
自1998年大修中對高溫再熱器改造至發(fā)稿時的5年時間里，設(shè)備運行穩(wěn)定，從未發(fā)生過受熱面泄漏，管排整齊無變形，管卡完好無脫落。
5.結(jié) 論
在管子材料設(shè)計較為復(fù)雜的高溫再熱器改造中，改用單一的T91鋼是解決異種鋼焊口過多和管子脹差而引起應(yīng)力集中的有效途徑之一；采用套管式承重管卡和對夾手銬式管卡，替代焊接式承重管卡及導(dǎo)向定位管卡，徹底解決了管卡脫落撕裂管子的弊端。筆者認(rèn)為在同類型機(jī)組和同類型設(shè)計的高溫再熱器上采用上述方案是可行的、可靠的、有較高的應(yīng)用價值。