锅炉四管寿命与机组调峰运行影响的研究

李卫科

山西大唐国际临汾热电有限责任公司山西省临汾市 041000

摘要：摘要：随着我国能源消费结构的转型及电力市场的改革，火力发电厂在电网调峰中的角色愈发重要。频繁的调峰运行对锅炉四管的热应力和疲劳损伤产生了显著影响，导致设备的使用寿命缩短。本文通过分析调峰运行对锅炉四管的超温现象及拉裂的影响，探讨了相关的损伤机制，并提...

关键词：

锅炉四管；调峰运行；超温；拉裂；设备寿命

出处：

《电力科技与环保》2024年15期

DOI：
10.13738/j.cnki.acc.qklw60536
专辑：
科学Ⅰ辑;信息科技
专题：
信息、科学;综合科技
分类号：
G90;N92

摘要：随着我国能源消费结构的转型及电力市场的改革，火力发电厂在电网调峰中的角色愈发重要。频繁的调峰运行对锅炉四管的热应力和疲劳损伤产生了显著影响，导致设备的使用寿命缩短。本文通过分析调峰运行对锅炉四管的超温现象及拉裂的影响，探讨了相关的损伤机制，并提出了一系列优化措施，包括改进材料选择、优化焊接工艺、加强设备监测及维护等，以期延长锅炉四管的使用寿命，确保电力系统的安全稳定运行。

关键词：锅炉四管；调峰运行；超温；拉裂；设备寿命

1. 引言

在全球能源转型背景下，我国电力系统正经历着深刻的变革。火力发电厂作为传统能源的主要供应者，面临着日益增加的调峰需求。调峰运行的频繁性导致锅炉四管承受更大的热应力和机械疲劳，直接影响其使用寿命。本文旨在系统分析调峰运行对锅炉四管寿命的影响，并提出相应的解决方案，以提高设备的可靠性和经济性。

2. 我国火力发电厂调峰运行的背景

2.1 能源消费结构与电力市场的变化

近年来，我国能源消费结构逐渐向清洁、低碳转型，风能、太阳能等可再生能源的比重不断上升。与此同时，火力发电在电力供应中仍占据重要地位，尤其是在电力需求波动较大的情况下，火电机组的调峰能力成为保障电力系统稳定的重要因素。根据国家能源局的统计，火电在全国发电总量中仍占有约60%的份额，调峰能力的提升对于实现可再生能源的有效利用至关重要。

2.2 调峰运行对锅炉四管的要求

频繁的调峰运行要求锅炉四管具备更高的耐热疲劳性能和抗腐蚀能力。然而，调峰过程中锅炉的温度和压力变化剧烈，导致设备的热应力和机械应力显著增加，进而影响其使用寿命。调峰运行的频率和幅度对锅炉四管的材料性能提出了更高的要求，尤其是在材料的热膨胀系数、屈服强度和抗蠕变性能等方面。

3. 锅炉四管的工作原理与寿命影响因素

3.1 锅炉四管的结构与功能

锅炉四管主要由蒸发管、过热器、再热器和省煤器组成，负责将燃料燃烧产生的热量有效转化为蒸汽。蒸发管负责将水转化为蒸汽，过热器则将蒸汽加热到更高的温度以提高热效率。再热器则用于将已使用的蒸汽重新加热，省煤器则负责回收废气中的热量以提高整体热效率。其工作环境通常处于高温高压状态，材料的选择和焊接质量直接影响其热交换效率和耐久性。

3.2 寿命影响因素

锅炉四管的寿命受多种因素影响，包括：

材料特性：高温合金材料的热强度、抗氧化性和抗腐蚀性等特性决定了锅炉四管在极端条件下的耐久性。材料的微观结构、晶粒大小和合金成分等都会影响其在高温高压环境下的表现。

焊接工艺：焊接是锅炉四管制造过程中的关键环节，焊缝的质量直接影响到锅炉四管的整体强度和耐久性。焊接过程中产生的热影响区可能导致材料性能的退化，焊接缺陷如气孔、夹渣等都会成为应力集中点，降低焊缝的抗拉强度。

运行工况：温度、压力的变化速率及负荷波动频率会加速材料的疲劳损伤。频繁的启停操作会导致材料的热循环疲劳，增加裂纹形成的风险。

环境因素：水质、燃料特性及外部环境对材料的腐蚀作用也会影响锅炉四管的使用寿命。特别是在高含硫或高氯环境下，材料的腐蚀速率会显著增加。

4. 调峰运行对锅炉四管的具体影响分析

4.1 超温现象的成因与影响

在调峰运行中，锅炉四管常出现超温现象，主要原因包括：

负荷变化滞后：在负荷快速增加时，燃料供给系统未能及时响应，导致锅炉内部热量过快积累。此时，锅炉内的水温迅速上升，超出设计温度范围，造成材料的热疲劳。

蒸汽流量调节不及时：负荷变化后，蒸汽流量未能迅速调整，导致热量无法有效带走。此现象在负荷迅速下降时尤为明显，导致锅炉四管在短时间内承受高温。

热交换效率降低：在低负荷运行时，锅炉的热交换效率下降，进一步加剧超温现象。热交换器的设计和运行状态对热效率有直接影响，低效的热交换会导致热量积聚。

超温现象可导致锅炉四管材料的热疲劳加剧，增加了裂纹形成和扩展的风险，严重时可导致设备故障。

4.2 管材及焊缝拉裂的机理

管材及焊缝拉裂是锅炉四管损坏的另一主要原因，其形成机制包括：

热应力集中：频繁的负荷波动导致管材及焊缝处的应力分布不均，增加了疲劳损伤的可能性。管材微量合金元素含量略低、焊缝与母材之间的热膨胀系数差异会导致产生较大的热应力。

材料缺陷：焊接工艺不当可能导致焊缝中存在微裂纹或缺陷，降低焊缝的强度。焊接过程中不当的操作会导致焊缝金属的脆化，增加裂纹的形成几率。

温度梯度：焊接后冷却过程不均匀，产生的温度梯度使焊缝处承受额外的应力。温度的快速变化会导致焊缝金属的相变，进一步影响其力学性能。

4.3 案例分析

案例一：某电厂墙式再热器横向裂纹案例分析

背景：某电厂 300MW 机组锅炉的墙式再热器在运行一段时间后，停机检查发现部分管子出现横向裂纹。

1、泄漏原因：该机组近一年来参与电网调峰任务频繁调峰，日负荷波动幅度较大，从 30%额定负荷到 100%额定负荷变化频繁。在一次调停检修后启动不久，便检测到墙式再热器区域有轻微泄漏声，经检查发现了横向裂纹。

（1）热应力方面：频繁的启停和负荷变化导致墙式再热器金属壁温大幅波动。启动时，由于蒸汽流量小、温度低，管子得不到充分冷却，壁温快速上升；而负荷下降时，蒸汽流量和温度降低，管壁又快速冷却。这种反复的热胀冷缩使管壁承受交变热应力，最终产生横向裂纹。例如，在一次快速甩负荷过程中，再热器管壁温度在短短 10 分钟内下降了近200℃。

（2）材质方面：对管材进行成分分析发现，其中微量合金元素含量略低于标准要求，导致材料的高温强度和抗蠕变性能有所下降。在长期高温高压以及热应力的共同作用下，管子更容易出现损伤和裂纹。

2、处理措施：

（1）优化机组启停和负荷变化操作流程，严格控制升温、降温速率，减少热应力的产生。（2）对已出现裂纹的管子进行更换，并采用符合标准且质量可靠的管材。新管材在安装前进行严格的质量检验，包括无损探伤和成分分析。

案例二：集箱管座焊缝拉裂

背景：某火力发电厂在检修中，发现屏式再热器出口集箱管座焊缝出现裂纹。

1、泄漏原因分析：

集箱异形弯短节管与联箱连接方式设计为插接结构，裂纹部位为角焊缝焊接热影响区薄弱部位，此处为应力集中区，长期服役条件下受到锅炉启停次数、受热面蛇形管屏烟气扰动低频振动、受热面蛇形管自重剪切应力、集箱与受热面蛇形管热温差等综合交变热应力的长期作用下，在角焊缝薄弱部位萌生裂纹缺陷，频繁的负荷波动导致焊缝处应力集中，最终导致裂纹扩展。负荷的快速变化使焊缝处的应力状态不断变化，加速了焊缝的疲劳损伤。

2、处理措施：

（1）对已出现裂纹的管子进行更换，对同类型部位管座焊缝进行打磨磁粉检验。

（2）将集箱管座焊缝检验做为检修必查项目，提高监督力度。

（3）优化机组启停和负荷变化操作流程，严格控制升温、降温速率，减少热应力的产生。

案例三：某电厂屏式再热器超温爆管案例分析

背景：某火力发电厂在运行中，出现屏式再热器12Cr1MoVG管屏在运行中存在长期过热情况。

1、泄漏原因分析：

机组调峰调频期间，为适应电网对机组负荷响应要求，存在燃料量前馈响应较快，汽压及负荷响应滞后负荷变化率大，燃煤热值变化导致炉膛火焰中心升高，炉膛热负荷与蒸汽量变化不匹配，导致屏再超温的情况，其管材的抗拉强度、屈服强度及断面收缩率等力学性能指标不断下降，组织老化情况持续加剧，金相检验向火侧珠光体球化均为5级；力学性能试验发现向火侧抗拉强度均低于标准要求。

2、处理措施：

（1）对该部位管屏材质升级由12Cr1MoVG升级为SA-213T91。

（2）做好日常受热面超温统计分析，严格受热面管壁超温管理

（3）统筹考虑运行参数和运行工况，严控负荷变化率和炉膛出口温度，避免受热面频繁超温未及时采取有效措施，造成受热面因超温爆管。

5. 防护措施与建议

为降低锅炉四管的损伤风险，建议采取以下措施：

5.1优化调峰策略：制定合理的调峰方案，控制负荷变化速率，减少热应力的产生。可以通过模拟和预测负荷需求，提前调整机组的运行状态，避免剧烈的负荷波动。

5.2材料改进：采用耐高温、耐腐蚀的新型材料，如合金钢或高温合金材料，提高锅炉四管的耐久性。新材料的引入应经过充分的实验验证，以确保其在实际运行条件下的可靠性。

5.3焊接工艺提升：加强焊接质量控制，确保焊缝的完整性与强度。实施焊接过程的实时监测，采用先进的焊接技术，如激光焊接或自动化焊接，以提高焊缝质量。

5.4定期检测与维护：建立完善的检测与维护机制，及时发现并处理超温、裂纹等问题。定期进行无损检测（NDT），如超声波检测、射线检测等，以监测焊缝和管道的健康状态。

5.5实施负荷预测与调度：利用现代化的信息技术，进行负荷预测与智能调度，减少负荷波动对设备的影响。通过大数据分析和机器学习技术，优化电厂的调度策略，提高调峰能力。

5.6实时监测系统：建立锅炉运行的实时监测系统，及时监测关键参数，如温度、压力和流量，确保设备在安全范围内运行。通过数据分析，及时发现潜在问题并采取预防措施。