電站高壓加熱器爆破泄漏原因探討

王興義，冀晉川，李文亮

（山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

高壓加熱器（以下簡(jiǎn)稱“高加”）是電站中所使用的重要壓力容器之一，高加是通過(guò)利用來(lái)自汽輪機(jī)的抽汽對(duì)鍋爐給水進(jìn)行加熱，以提高鍋爐給水出口溫度，提高機(jī)組的熱效率。高加按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為管板式和集箱式高壓加熱器，集箱式高壓加熱器常見(jiàn)于較早和較低壓力的機(jī)組。隨著火力發(fā)電廠機(jī)組向大容量、高參數(shù)發(fā)展，高壓加熱器的工作壓力和溫度相應(yīng)提高，目前大部分在役高加均為固定管板∪型列管式結(jié)構(gòu)，因此本文討論主要針對(duì)U型管管板式高壓加熱器。高壓加熱器在高溫高壓運(yùn)行條件下工作，從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行、檢修，在其任何一個(gè)環(huán)節(jié)考慮不足、處理不當(dāng)均有可能埋下隱患，出現(xiàn)故障，導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至人員傷亡。

1 事故案例

某電廠∪型管式高壓加熱器，工作壓力1.673MPa（殼程） /22 MPa（管程），工作溫度255℃（殼程）/210℃（管程），材質(zhì)15Mo3（汽室）/20MnMoNi55（水室），累計(jì)運(yùn)行約11.5萬(wàn)h，高加內(nèi)部的一根∪型管由于長(zhǎng)期振動(dòng)磨損減薄開(kāi)裂，造成大量給水進(jìn)入筒體，同時(shí)，高壓給水沖刷殼側(cè)筒體致使嚴(yán)重減薄，筒體水位淹沒(méi)至嚴(yán)重減薄處，給水壓力直接作用于筒壁，筒體塑性變形快速爆破，高加殼側(cè)筒體斷裂，向上沖起，撞傷橫梁。

某電廠∪型管式高壓加熱器，殼側(cè)安全閥長(zhǎng)期漏氣，運(yùn)行人員在未征詢特種設(shè)備管理人員的情況下私自在安全閥后加裝堵閥，對(duì)漏氣進(jìn)行密封。當(dāng)傳熱管發(fā)生泄漏，高加殼側(cè)壓力驟然升高，由于安全排汽管段堵死，殼側(cè)筒體受壓超過(guò)其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，導(dǎo)致殼側(cè)筒體中部縱向開(kāi)裂約1 100 mm，殼側(cè)筒體整體脹粗、鼓包變形。

某電廠∪型管式高壓加熱器，設(shè)計(jì)壓力1.91MPa（殼程） /29 MPa（管程），設(shè)計(jì)溫度452℃（殼程）/233℃（管程），材質(zhì)15CrMoR（汽室）/16MoR（水室），該高加因傳熱管泄漏，導(dǎo)致高壓給水將殼體靠近管板側(cè)的材料為15CrMoR的筒體貫穿。筒體損傷部位形狀為一不規(guī)則錐狀穿透型孔洞。

2 高加損壞原因分析

結(jié)合上述典型事故案例，對(duì)高加損壞原因分別從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探討分析。

2.1 設(shè)計(jì)方面

高加內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題，管束支撐隔板布置不合理，傳熱管跨度過(guò)大，管束和殼體間通道面積太小等，均可能使得汽流速度過(guò)高，引起管束振動(dòng)，超過(guò)材料疲勞持久極限或相互磨損變薄，從而導(dǎo)致傳熱管泄漏或斷裂。

設(shè)計(jì)的蒸汽冷卻段出口蒸汽剩余過(guò)熱度太低，疏水口通道面積過(guò)小導(dǎo)致處于飽和狀態(tài)的疏水閃蒸，使得汽流中含有較大直徑水滴，上級(jí)高加疏水設(shè)計(jì)不當(dāng)使其進(jìn)入殼內(nèi)形成汽、水兩相介質(zhì)。此外，防沖刷板材料和固定方式不合理，運(yùn)行中破損或移位，防沖刷板面積不夠大，未起到防沖刷保護(hù)作用，均造成傳熱管汽水侵蝕。使用碳鋼傳熱管，抗汽水混合物侵蝕能力較差，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致汽流速度過(guò)高，都加重汽水侵蝕損傷。

傳熱管管壁厚度設(shè)計(jì)取用較薄，使得高壓加熱器使用壽命縮短，后期泄漏較多。位于管束中心位置的∪形管最小彎曲半徑過(guò)小，制造中彎管變形量較大，局部管壁拉薄，運(yùn)行中對(duì)管壁沖刷較大，易于損壞。

高加內(nèi)部結(jié)構(gòu)不良存在蒸汽流動(dòng)不暢的死區(qū)或放空氣系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致空氣積聚，造成傳熱管腐蝕。

2.2 制造和檢驗(yàn)方面

管板基材與堆焊層之間或堆焊層本身層內(nèi)因堆焊質(zhì)量不良等原因存在缺陷，經(jīng)長(zhǎng)期承受運(yùn)行熱應(yīng)力導(dǎo)致缺陷擴(kuò)展而泄漏。

傳熱管與管板焊接時(shí)，焊縫表面熔渣清理不干凈，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，焊縫和熱影響區(qū)存在裂紋、氣孔、夾渣、未熔合的缺陷，導(dǎo)致運(yùn)行后管口焊縫泄漏。

傳熱管材質(zhì)不合格，彎管成型控制存在偏差，造成管壁厚薄不均，熱處理不當(dāng)，存在較大殘余應(yīng)力。

傳熱管渦流檢測(cè)，頻率、相位角、增益等參數(shù)選取不當(dāng)，未能將存在裂紋、折疊、軋折、離層、結(jié)疤、溝槽、氧化皮等缺陷的傳熱管檢出剔除。

管板加工控制不嚴(yán)，管板孔尺寸誤差較大，造成管孔與管子間隙偏大，運(yùn)行中產(chǎn)出振動(dòng)摩擦損傷管子。

隔板的管孔鉆孔邊緣不光滑，未清理干凈毛刺，裝配時(shí)強(qiáng)力組裝，造成傳熱管拉傷、劃傷。

制造完成后防腐措施不到位，在貯運(yùn)安裝過(guò)程中發(fā)生腐蝕。

2.3 運(yùn)行方面

運(yùn)行操作人員技術(shù)水平不高，啟停操作未嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程執(zhí)行，沒(méi)有充分暖管，升溫、降溫速度過(guò)快，傳熱管和管板之間受熱不均勻，管板與管子連接處受到巨大熱應(yīng)力，使管口脹接、焊縫處損壞開(kāi)裂并持續(xù)擴(kuò)展，長(zhǎng)期運(yùn)行后最終導(dǎo)致管系泄漏。

殼側(cè)水位控制不當(dāng)，低水位或無(wú)水位運(yùn)行造成疏水冷卻段汽、水兩相流動(dòng)，并且流速加大甚至發(fā)生閃蒸，引起管束振動(dòng)并沖刷侵蝕管束，高水位運(yùn)行有可能導(dǎo)致疏水到達(dá)蒸汽通道口，被高速蒸汽吹散成較大直徑水滴沖刷管束。

給水入口水溫降低，抽汽量增加，殼側(cè)汽流速度大大增加，引起管束振動(dòng)相互摩擦損壞，并且高速汽流對(duì)傳熱管沖刷侵蝕。

高加水側(cè)壓力過(guò)高或停用時(shí)汽側(cè)閥門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)使不流動(dòng)的水側(cè)給水受汽側(cè)漏入蒸汽加熱導(dǎo)致給水溫度升高引起水室超壓，水側(cè)殼體或給水管路上未安裝安全閥或安全閥開(kāi)啟壓力定值過(guò)高超過(guò)設(shè)計(jì)壓力或未進(jìn)行校驗(yàn)，造成水側(cè)超壓時(shí)沒(méi)有安全閥動(dòng)作保護(hù)導(dǎo)致傳熱管鼓脹變粗損壞甚至開(kāi)裂。

汽側(cè)殼體安全閥開(kāi)啟壓力定值過(guò)高超過(guò)設(shè)計(jì)壓力或未進(jìn)行校驗(yàn)，傳熱管破裂殼側(cè)壓力升高安全閥未及時(shí)動(dòng)作，造成汽側(cè)筒體損傷。

給水水質(zhì)不合格，含氧量和pH值超標(biāo)，造成傳熱管內(nèi)壁腐蝕，運(yùn)行中殼側(cè)放空氣管未投運(yùn)或工作不正常使得空氣排放不完全，高加停用、備用時(shí)，高加內(nèi)余水未放盡，造成換熱管外壁氧腐蝕。給水水質(zhì)不合格，結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致傳熱惡化，易發(fā)生垢下腐蝕。

停運(yùn)檢修時(shí)，防腐措施不到位，造成傳熱管、管板等發(fā)生銹蝕。

高加運(yùn)行中發(fā)生泄漏后，未及時(shí)停運(yùn)，泄漏的高壓給水沖刷損壞漏點(diǎn)附近的傳熱管，擴(kuò)大了傳熱管損傷范圍。

2.4 檢修方面

傳熱管泄漏堵管時(shí)損傷鄰近管口的焊縫和管板。施焊工藝不當(dāng)，焊材選取不合適。焊接的環(huán)境和焊接方法控制不嚴(yán)，或者受高加設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)空間位置和機(jī)加工焊接方位限制，機(jī)加工和焊接質(zhì)量無(wú)法保證，焊縫出現(xiàn)未焊透、氣孔、夾雜等各種缺陷，焊接后應(yīng)力沒(méi)能徹底消除，焊接管塞密封焊表面在介質(zhì)、溫度和沖蝕的共同作用下，焊口熔敷層開(kāi)裂，造成封堵的管束投運(yùn)后，再次發(fā)生泄漏。

傳熱管泄漏堵管時(shí)缺乏經(jīng)驗(yàn)，只堵泄漏的管子，附近受到損傷的管子在運(yùn)行中進(jìn)一步加劇損傷，最終發(fā)生泄漏[1]。

3 高加設(shè)計(jì)改進(jìn)和事故預(yù)防及處理措施

針對(duì)上面提到的各種問(wèn)題，應(yīng)采取相應(yīng)措施以減少和應(yīng)對(duì)高加損壞事故的發(fā)生。

3.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮在高壓運(yùn)行中過(guò)渡工況和異常工況下的情況。

a）傳熱管壁厚取用適當(dāng)并考慮合理的腐蝕余量，避免取用壁厚偏薄的高加，縮短使用壽命。

b）管束彎曲半徑不宜過(guò)小，避免工藝減薄過(guò)多及介質(zhì)沖刷加劇，減小加工應(yīng)力，避免應(yīng)力腐蝕。

c）要限制支撐隔板間距，減小管束自由段長(zhǎng)度。

d）管束和殼體間通道面積不能太小，管束自身管子間距也要足夠大，以降低汽側(cè)流速和減少管子與筒壁或管子之間相互碰撞摩擦損壞的可能性。

e）在蒸汽及疏水入口處要設(shè)計(jì)防沖刷擋板，其材料選用要考慮耐沖刷腐蝕和有足夠的強(qiáng)度承受大的沖擊力，防沖刷板面積要足夠大，并同時(shí)考慮在超負(fù)荷運(yùn)行工況下，應(yīng)有更大的覆蓋面積。

f）防沖刷板要采取牢固的固定方式，不能只用點(diǎn)焊方式，防止開(kāi)裂脫落。

g）疏水通道面積要足夠大并考慮在疏水處設(shè)置擴(kuò)容室以避免發(fā)生閃蒸。

h）限制殼側(cè)蒸汽或疏水的流速，防止由蒸汽冷卻段處來(lái)的蒸汽進(jìn)入凝結(jié)段時(shí)出現(xiàn)高流速區(qū)域，避免振動(dòng)和沖蝕損傷。

i）要設(shè)計(jì)完善的放空氣系統(tǒng)，保證高加啟動(dòng)時(shí)水室、汽室的積存空氣排放和連續(xù)運(yùn)行中不凝結(jié)氣體的排放，避免機(jī)構(gòu)中的死角造成空氣積聚。

j）汽水兩側(cè)均應(yīng)設(shè)置安全閥，并有足夠的流通直徑，保證超壓時(shí)及時(shí)排放。

k）蒸汽冷卻段出口蒸汽要有足夠的剩余過(guò)熱度。

l）水室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到堵管要求，為檢修人員提供較大空間，便于堵管對(duì)管板表面進(jìn)行機(jī)加工、清理、焊接。

3.2 生產(chǎn)制造注意事項(xiàng)

a）彎管應(yīng)采用正確的工藝，并去除加工應(yīng)力，減小應(yīng)力腐蝕的可能性。

b）管子質(zhì)量要嚴(yán)格把關(guān)，加強(qiáng)監(jiān)督檢驗(yàn)，防止將存在缺陷和熱處理不合格的管子裝入高加，給以后的運(yùn)行埋下隱患。

c）支撐隔板管孔加工要控制加工精度，避免開(kāi)孔過(guò)大導(dǎo)致管束振動(dòng)。

d）支撐隔板管孔在鉆孔后應(yīng)兩面都倒角，并清理除去毛刺，以避免裝配過(guò)程中劃傷管子。

e）裝配時(shí)嚴(yán)禁強(qiáng)力組裝，防止拉傷、劃傷管子。

f）高加出廠時(shí)要做好防腐措施，以避免貯運(yùn)過(guò)程中腐蝕的發(fā)生。

3.3 運(yùn)行注意事項(xiàng)

a）運(yùn)行應(yīng)嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程的規(guī)定，在高加投入和切出時(shí)控制溫度變化率，避免熱沖擊，減小熱應(yīng)力，機(jī)組負(fù)荷應(yīng)緩慢平穩(wěn)地增加或降低，避免各金屬部件產(chǎn)生過(guò)大熱差及應(yīng)力，引起傳熱管局部疲勞受損。

b）做好殼側(cè)水位控制，水位保護(hù)及水位計(jì)投入正常，避免水位控制誤差，造成低水位和無(wú)水位運(yùn)行，減少疏水冷卻段內(nèi)出現(xiàn)閃蒸和汽水兩相流動(dòng)的可能性，倒立式高加還應(yīng)防止水位過(guò)高淹沒(méi)蒸汽冷卻段出口而降低蒸汽冷卻段出口的剩余過(guò)熱度，以上措施均可避免管束的振動(dòng)損壞和沖刷侵蝕。

c）控制疏水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，防止開(kāi)度過(guò)大導(dǎo)致汽流速度過(guò)大在疏水冷卻段內(nèi)引起閃蒸。

d）高加的熱力參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)范圍控制，以避免流速過(guò)高激發(fā)管束振動(dòng)。

e）嚴(yán)格控制給水品質(zhì)，防止給水含氧量和pH值不合格發(fā)生入口管端侵蝕和傳熱管內(nèi)壁腐蝕。

f）保證放空氣系統(tǒng)正常工作，保持管路通暢，并對(duì)積存空氣和不凝結(jié)氣體進(jìn)行排放。

g）在運(yùn)行狀態(tài)下要對(duì)高加實(shí)施年度檢驗(yàn)，安全附件、測(cè)量調(diào)控裝置，附屬儀器儀表應(yīng)進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理。

h）應(yīng)按照《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》的要求，定期停運(yùn)進(jìn)行全面檢驗(yàn)，并檢查疏水、空氣管路易沖刷減薄處（例如彎頭）的壁厚，當(dāng)減薄嚴(yán)重不滿足強(qiáng)度要求時(shí)應(yīng)及時(shí)更換。

i）汽室、水室安全閥是高加發(fā)生超壓危險(xiǎn)時(shí)的最后一道安全保障措施，因此要定期校驗(yàn)合格。安全閥的整定壓力設(shè)置正確，一般不大于高加的設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)圖紙和銘牌上標(biāo)有最高允許工作壓力的，也可以采用最高允許工作壓力確定安全閥的整定壓力。

j）安全閥排放管路要保持通暢，不宜安裝截止閥門(mén)，不得妨礙安全閥的安全泄放。

k）高加停用切斷汽源、水源時(shí)應(yīng)保證閥門(mén)關(guān)嚴(yán)，以避免漏入蒸汽加熱不流動(dòng)給水造成膨脹超壓，或者抽汽消失后流動(dòng)給水快速冷卻，在管板—管子處產(chǎn)生過(guò)大熱應(yīng)力。

l）停用時(shí)應(yīng)根據(jù)停用時(shí)間的長(zhǎng)短，分別采用相應(yīng)的防腐措施。

m）運(yùn)行中一旦發(fā)現(xiàn)管束泄漏現(xiàn)象，即使還輕微，也應(yīng)立即停用從系統(tǒng)中切出高加，避免繼發(fā)性沖蝕損壞，對(duì)于泄漏的原因應(yīng)認(rèn)真分析采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，防止同樣原因的事故再次發(fā)生。

3.4 泄漏爆破處理措施

發(fā)生高加事故后應(yīng)認(rèn)真檢查損傷情況，采用渦流探傷[2]和超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法對(duì)高加換熱管及筒體損傷情況進(jìn)行認(rèn)真檢查，確定損傷部位、范圍、及損傷程度，根據(jù)泄漏形式和部位，采取相應(yīng)的處理措施。

a）換熱管或換熱管—管板連接處泄漏，采用堵管處理。換熱管本身泄漏要查清換熱管泄漏對(duì)漏點(diǎn)附近管子的損傷情況，將泄漏管及鄰近沖蝕的管子均進(jìn)行堵管處理，避免發(fā)生二次沖蝕泄漏，換熱管—管板連接處泄漏要將原有裂紋或沖蝕處完全清除，去除端部原管子材料及焊縫金屬，無(wú)論何種堵管方式，被堵管端部必須經(jīng)過(guò)良好處理，管孔和管板孔均圓整、清潔，使堵頭與管板緊密接觸。

b）如高加汽室筒體被小范圍內(nèi)沖刷減薄或貫穿，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，不能貼補(bǔ)，不宜補(bǔ)焊，可以考慮用開(kāi)孔將損傷減薄部位清除后加裝盲管[3]。對(duì)于接管的形式、壁厚取用、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)、管材和焊材的選取要充分考慮，認(rèn)真計(jì)算。

c）如發(fā)生傳熱管損壞斷裂、殼側(cè)進(jìn)入異物、防沖刷板損壞脫落以及汽室殼體損壞程度不明，需檢修殼體內(nèi)部或更換管系時(shí)，可按高加設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的切割線位置割開(kāi)高加汽室殼體，把管子抽出或把殼體退出。

d）如果高加汽室筒體損壞較嚴(yán)重，對(duì)于筒體損傷情況應(yīng)進(jìn)行評(píng)定，如傳熱管完好，可考慮更換筒節(jié)，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，重大維修應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)原設(shè)計(jì)單位或者具備相應(yīng)資格設(shè)計(jì)單位同意。

施工過(guò)程必須經(jīng)過(guò)具有相應(yīng)資格的特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)，未經(jīng)監(jiān)督檢驗(yàn)合格的高壓加熱器不得投入使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

高加如果發(fā)生泄漏爆破從系統(tǒng)中退出，除了威脅機(jī)組的安全運(yùn)行，還會(huì)因此使得給水只能通過(guò)旁路進(jìn)入鍋爐，大大降低進(jìn)入鍋爐的給水溫度，從而增加燃料能耗，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷下降，增加發(fā)電成本。因此，需要通過(guò)對(duì)高加失效原因進(jìn)行認(rèn)真分析，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以提高高壓加熱器投入率，保障系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

［1］ 劉文柱，劉琰，肖鎮(zhèn).高壓加熱器泄漏原因分析及改進(jìn)措施［J］.熱力發(fā)電，2006（07）：48-49.

［2］ 董勇軍，陸軍，郭勇峰.高壓給水加熱器換熱管束的渦流檢驗(yàn)對(duì)策［J］.山西電力，2004（4）：61-63.

［3］ 鄭敏，黃純德，栗縣民.火電廠高壓給水加熱器筒體泄漏的修復(fù)［J］.山西電力，2006（4）：31-33.