前包墙过热器拉稀管断裂原因分析及处理措施

刘小梅

山东华章质量检验检测有限公司

【摘  要】某电厂#3炉前包墙拉稀管先后于2017年4月21日、2017年10月15日发生断裂泄漏造成机组停运，经会同锅炉厂家及施工单位人员对断裂原因进行分析，确认为包墙管吊杆松动、前后管子错列引起振动及锅炉厂家设计缺陷是主要原因，并针对此问题提出了具体可行的预防和处理措施，确保了该部位的安全稳定运行。

【关键词】前包墙拉稀管；吊杆松动；振动；应力集中

1  前包墙拉稀管结构介绍

泄漏锅炉为四角切圆燃烧方式、亚临界、一次中间再热、全悬吊、平衡通风、自然循环、固态排渣燃煤汽包炉。

包墙过热器分尾部烟道两侧包墙、前包墙和顶棚后包墙三部分，除前包墙上段拉稀管为光管外，其余均为膜式结构，材料全部为20G。前包墙拉稀管的作用是形成前部炉膛烟气流经通道，加热后烟井受热面管内蒸汽介质，上部弯头焊接有吊架对整个前包墙过热器管起到悬吊作用，52.5米处鳍片中间部位设有半圆形的应力释放槽。

2  断口宏观形貌及该部位鳍片排查情况简述

两次包墙拉稀管第一泄漏点分别位于下部左数第80根、第34根直管段，下部断口均为脆性断口，均沿鳍片圆弧部位横向齐根断裂，断面非常平坦，其中第80根管下部不是一次性瞬时断裂，而是在停炉过程中彻底断裂，现场检查其上下断口面仍未彻底分开，且其上部管段未发生断裂；第34根管上部和下部均为一次性瞬时断裂，且断裂管道被打弯甩至后侧低过管排之间，其中上部断口是自鳍片直边横向断裂。

前包墙拉稀管共计109根，经对该部位下部鳍片及管排进行100%磁粉检测，共发现下部管排鳍片存在不同程度大小裂纹共计31处，其中第46根、第100根两侧4处裂纹长度较长，明显为振动拉裂所致，沿圆弧向管排延伸，均已延伸到管排鳍片焊缝，十分危险，其余较小裂纹位置不确定，形貌密集粗糙，各种取向均有发生；经对上部鳍片管进行100%磁粉检测，未发现任何缺陷显示；经对断口及母材部位进行硬度检测，硬度值在130HB，符合标准要求。

 

    第34根直管下部断裂形貌            第34根直管上部断口形貌

            现场检测发现裂纹                        断裂管段弯曲变形严重

对包墙拉稀管裂纹起始部位、未开裂部位及邻近管段分别取样进行金相分析，金相组织均为铁素体+珠光体，珠光体未球化，球化级别为1级。裂纹为穿晶开裂，未见腐蚀、胀粗、减薄等异常问题，鳍片与拉稀管焊接部位无焊接缺陷等问题。

3  原因分析

3.1安装工艺执行不到位

通过就地实际查看，发现各包墙散管目前位置已与原始图纸不符。原始设计为双排管，前排为直管，直接受烟气冲刷，后排为弯管，位于直管正后方，不受烟气直接冲刷，每根直管上均设置小吊杆，并通过过渡梁后悬吊至锅炉顶部大梁上。但目前约有一半的吊杆已经松动，导致直管受力不均或者直接不受力，受烟气冲刷时不同受力的管子产生不同的振动，在前包墙管鳍片区域容易产生不均匀的疲劳应力。

3.2前包墙拉稀管前后管排出现错位

目前前排直管与后排弯管部分出现错位，导致烟气直接冲刷后排不受力弯管，由于后排弯管受烟气冲刷程度不同，导致后排弯管温度存在偏差，膨胀均不一致，导致各管子发生不同频率的振动，也容易在前包墙管鳍片区域产生不均匀的应力。

3.3锅炉厂家设计存在缺陷

此处管段长达9.3米，且为单管设计，长时间在高温下运行存在应力松弛现象，难免会使吊架产生松动，锅炉厂家在设计上考虑通过定期检查、紧固吊杆来避免吊杆松动，但在实际执行过程中，吊杆调整难度较大，没有专业工具，紧固受力的精确度很难控制，所以，设计之初就应该考虑到吊杆松动调整难度大的问题，主动地对吊杆松弛造成管子振动的问题进行规避，即在管排适当位置加装管夹，而不是被动地、单一地进行吊杆调整，既不实用也不经济。

 3.4前部管屏存在烟气走廊导致包墙散管两侧温差较大产生膨胀应力

现场观察包墙管发生不同程度的变形，属于安装期间装配应力释放的结果，为安装时强行装配产生的应力。前部高温再热器管屏存在间距不均，已形成烟气走廊，从而导致前部包墙上部散管两侧烟温偏差较大，金属壁温相应也会产生较大偏差。经过对炉膛烟温、低过垂直段烟温、各金属壁温进行分析查看，#3炉两侧尾部烟道温度偏差在25℃左右，低过垂直段金属壁温差值20℃左右，通过估算20℃左右的壁温偏差，在包墙散管的底部产生约10mm的膨胀差，膨胀不均匀，也是导致前部包墙鳍片产生应力的原因之一。

    综上所述，锅炉厂家设计存在一定缺陷、施工单位安装工艺执行不到位是导致本次事故的根本原因。分开来看，包墙直管吊杆松动，导致直管受力不均或者直接不受力，前后管排错列，导致烟气直接冲刷后排不受力弯管，引起前后管排产生不同程度的振动，在包墙管鳍片区域产生不均匀的应力是此次包墙管断裂的主要原因；包墙前部管屏变形严重形成烟气走廊导致包墙散管两侧烟温偏差较大在鳍片应力槽处产生不均匀的膨胀应力形成微裂纹是次要原因，微裂纹在管子持续的振动下扩展导致管子疲劳断裂。  

4  处理措施

处理前提：调整吊架吊杆的松紧度，让每根管子受力均匀，其次按图纸要求矫正变形的管子，再次消除前部管屏目前已存在的烟气走廊，保证后面的措施顺利有效实施。

4.1加装固定管夹，提高管子整体抗振能力

通过锅炉厂家分析计算，#3炉上下共计加装三排，两侧为每5根管子为一组固定，中间每4根管子为一组固定，材质设计为硬度较高的马氏体型耐热钢1Cr6Si2Mo，由于前后管排均出现变形，所以前后均需加装，共计加装78个固定装置，由于振动是无序的，通过加装管夹后可以抵消部分的振动，减少包墙
鳍片应力。

 4.2开应力释放缝扩散应力

通过在应力槽正中间位置向下割200mm的应力释放缝，末端用φ10钻头开止裂孔，进一步的将应力进行扩散吸收，防止应力扩展延伸。

 4.3更换鳍片，消除应力源

更换所有前部包墙鳍片，后期检修时进行100%检测，并对产生裂纹的鳍片进行更换。

4.4 加强无损检测频次

对于暂时无法加装固定装置的锅炉，利用机组检修对包墙拉稀管处鳍片焊缝进行表面无损检测，对检测发现的裂纹、气孔等缺陷应打磨消除，必要时进行复检，直至缺陷彻底消除。

5  结语

通过调整包墙吊杆、矫正变形管排、消除烟气走廊，在光管适当位置设置固定管夹，并将半圆形切槽沿中间位置向下割开200mm应力释放缝，同时对目前已经开裂和存在应力集中的鳍片进行全部更换，使包墙光管振动问题得到了彻底解决，保证了机组的安全稳定运行。

6  参考文献

[1] 周荣灿, 范长信. 超超临界火电机组材料研究及选材分析[J]. 中国电力, 2005, 38(8):41-47.

[2] DL/T 438，高压锅炉无缝钢管[S].

[3]蔡文河，严苏星，电站重要金属部件的失效及其监督.中国电力出版社，2009.