高壓加熱器管束爆管原因分析

趙偉　高瑞周

【摘 要】為提高循環(huán)效率而設(shè)置的給水加熱器，作為發(fā)電廠的一種主要輔助設(shè)備，其故障直接影響機(jī)組的出力。 一般發(fā)電機(jī)組在高壓加熱器（簡稱高加）停運(yùn)時出力受限 10%左右，導(dǎo)致機(jī)組效率降低，發(fā)電煤耗增加。本文對高加發(fā)生管束爆管原因進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】高壓加熱器；管束爆管；故障

根據(jù)這些年電廠運(yùn)行實(shí)際案例，造成高加故障停運(yùn)的最主要因素是高加換熱管束的損壞。一旦換熱管爆裂，高壓給水從破口噴涌而出，在低壓室擴(kuò)容的誘導(dǎo)下，形成巨大的沖擊流，對周邊換熱管造成沖擊，這種沖擊會造成周圍管子的連鎖爆管。如不及時處理，會使高加造成嚴(yán)重?fù)p壞，甚至使汽輪機(jī)發(fā)生水沖擊，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。從管束橫截面的分布圖分析，見圖1-1。

主要損壞區(qū)域集中在管束上部外圍，和下部外圍靠近水位面，以及管束中部區(qū)域。經(jīng)過對管束上部損壞換熱管進(jìn)行的深度測量，主要的爆管點(diǎn)分布在過熱蒸汽冷卻段蒸汽進(jìn)口區(qū)域，見圖1-2。

這一區(qū)域的爆管損壞占了總爆管的50%以上。造成蒸汽進(jìn)口區(qū)外排管損壞的最主要的原因是由于蒸汽的高流速造成的。其形成機(jī)理是：蒸汽進(jìn)口區(qū)外排管迎風(fēng)面換熱管受到高溫過熱蒸汽的直接沖擊。正常情況下，換熱管外表面會有一層凝結(jié)膜，保護(hù)換熱管免受高溫蒸汽的直接沖擊。但當(dāng)蒸汽流速過高，破壞了換熱管外表面的凝結(jié)膜，將會使管材金屬與高溫蒸汽直接接觸，導(dǎo)致?lián)Q熱管的金屬熱應(yīng)力急劇上升，并達(dá)到金屬材料破壞極限強(qiáng)度值，在管內(nèi)高壓作用下爆管。

歸納近年全國各電廠所發(fā)生的高加管束爆管現(xiàn)象，主要有以下幾種情況：

1.1管口與管板脹接、焊接處泄漏原因

1.1.1熱應(yīng)力過大

高加在啟停過程中溫升率、溫降率超過規(guī)定，使高加管子和管板受到較大的熱應(yīng)力，造成管口和管板相聯(lián)接的脹接、焊接處損壞，引起端口泄漏。調(diào)峰時負(fù)荷變化速度太快以及主機(jī)或高加故障驟然停運(yùn)高加時，如果汽側(cè)解列過快或汽側(cè)解列后水側(cè)仍繼續(xù)運(yùn)行，溫降率大于1.7～2.0℃/min，管口與管板的脹接、焊縫處常因冷縮過快而損壞。

1.1.2管板變形

U形管口由管板固定，管板變形使管子的端口發(fā)生泄漏。高加管板水側(cè)壓力高、溫度低，汽側(cè)則壓力低、溫度高，內(nèi)置式疏水冷卻高加管板水汽兩側(cè)的溫差更大。如果管板的厚度不夠，在熱應(yīng)力的作用下，水側(cè)會發(fā)生中心凹陷，汽測會發(fā)生鼓凸。當(dāng)主機(jī)負(fù)荷變化時，高加汽測壓力和溫度會相應(yīng)變化，尤其當(dāng)調(diào)峰幅度較大、調(diào)峰速度過快或負(fù)荷突然變大時，在給水泵定速運(yùn)行的情況下，給水壓力也會發(fā)生較大的變化，甚至可能超過高加水側(cè)的額定壓力。這些變化會使管板發(fā)生變形，甚至永久變形，并導(dǎo)致管子端口泄漏。當(dāng)主機(jī)在運(yùn)行中停運(yùn)高加時，如果高加進(jìn)汽門內(nèi)漏，會使高加水側(cè)被加熱而定容升壓，在水側(cè)無安全閥或安全閥失靈的情況下，壓力可能升得很高，也會使管板變形，導(dǎo)致管子端口泄漏。

1.1.3漏管焊堵工藝不當(dāng)

高加U型管泄漏后，一般采用錐形塞焊接封堵。如果打入錐形塞時捶擊力太大，會引起管孔變形，從而影響鄰近管子與管板的聯(lián)接處，使之出現(xiàn)新的泄漏。焊接過程中，如果預(yù)熱、焊接位置及尺寸不合適，會造成鄰近管口與管板連接處的損壞。采用其他堵管方法，如脹管堵管、爆炸堵管等，如果工藝不當(dāng)，也會引起鄰近管口的泄漏。

1.1.4制造質(zhì)量不良

高加的管板材質(zhì)是合金鋼，U型管材質(zhì)是低碳鋼，按制造工藝標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在管板上焊一層低碳鋼，但往往因焊接技術(shù)不過關(guān)，常留有焊接缺陷，存在管子泄漏的可能。

1.2 管子本身泄漏原因

1.2.1沖刷侵蝕

（1）管子外壁受抽汽時汽水兩相流的沖刷而變薄，直至發(fā)生穿孔或受給水壓力作用而鼓破，高加管壁受到汽水兩相流沖刷的主要原因有：①過熱蒸汽在高加冷卻段及其出口的過熱度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；②高加的疏水水位保持過低，甚至無水位；③疏水溫度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，當(dāng)抽汽壓力突然降低時發(fā)生疏水定壓擴(kuò)容，產(chǎn)生的汽水混合物進(jìn)入下一級高加，使其管壁受到?jīng)_刷。

（2）管壁受到蒸汽或疏水的直接沖擊。主要原因是：①防沖板材料和固定方式不合理，在運(yùn)行中破碎或脫落，失去保護(hù)管壁的作用；②防沖刷板面積不夠大，水滴隨高速汽流運(yùn)動，沖擊防沖板防護(hù)區(qū)域以外的管束；③殼體與管束間的距離太小，造成入口處的汽流速度太快；④當(dāng)高加某根管子發(fā)生泄漏時，高壓給水從泄漏處以極大的速度沖出，將鄰近管子或隔板沖刷破壞。

1.2.2管子振動

當(dāng)給水溫度過低或機(jī)組超負(fù)荷時，通過高加管束間的蒸汽流量和流速均超過設(shè)計(jì)值較大，而且有一定彈性的管束在汽流擾動力的作用下會產(chǎn)生振動。當(dāng)擾動力的頻率與管束固有振動頻率的倍數(shù)相吻合時，將引起管束共振，使振幅大大增加，導(dǎo)致管子與管板的連接處受到反復(fù)作用力，最終造成管束損壞。管束振動損壞的原因有：

（1）振動使管子或管子與管板連接處的應(yīng)力超過材料的疲勞極限，使管子疲勞斷裂。

（2）振動的管子在支撐隔板的管孔中與隔板發(fā)生摩擦，使管壁變薄，最后導(dǎo)致破裂。

（3）當(dāng)振動幅度較大時，在支撐隔板跨距中間位置的相鄰管子會相互摩擦，使管子磨損或疲勞斷裂。

1.2.3管子入口端給水侵蝕

管子入口端給水侵蝕損壞只發(fā)生在碳鋼管束上，它是一種侵蝕和腐蝕共同作用的損壞過程。其機(jī)理是管內(nèi)壁表面形成的氧化膜被高紊流度的給水破壞，造成金屬材料不斷損失，最終導(dǎo)致管子的破損。當(dāng)給水PH值低于9.6、含氧量高于7μg/L。

給水溫度低于260℃、紊流度大的情況下，最容易發(fā)生侵蝕。損壞面可擴(kuò)大至管端焊縫甚至管板。

1.2.4腐蝕

高加管束腐蝕的原因有：（1）給水含氧量和pH值超標(biāo)。當(dāng)給水中的含氧量過高或pH值過低時，會使高加管子的內(nèi)壁受到腐蝕。當(dāng)汽側(cè)有空氣存在時（例如高加在運(yùn)行中放空氣管未投運(yùn)或工作不正常使空氣排放不完全，或停運(yùn)時汽側(cè)疏水未排凈），會引起管束外壁的氧腐蝕。（2）低加銅管發(fā)生腐蝕后的銅沉積會引起點(diǎn)腐蝕，形成點(diǎn)蝕坑。（3）蒸汽溫度影響碳鋼表面氧化膜的形成。一般認(rèn)為，蒸汽在260℃以上時，氧化膜容易破壞，管材易發(fā)生腐蝕。

1.2.5超壓爆管

引起高加水側(cè)壓力過高的原因有：（1）配用定速給水泵的系統(tǒng)，如果只根據(jù)正常運(yùn)行時的給水壓力來確定高加水側(cè)的設(shè)計(jì)壓力，那么在啟動過程中或低負(fù)荷運(yùn)行時，由于鍋爐給水調(diào)節(jié)門開度較小，給水流量減少，給水泵出口壓力增大，可能使管束承受超過設(shè)計(jì)值的給水壓力而發(fā)生爆管。運(yùn)行中負(fù)荷突降或緊急停爐熄火后常常發(fā)生這種情況。（2）在機(jī)組運(yùn)行中高加因故停用時，如果給水進(jìn)出口閥門關(guān)閉嚴(yán)密，而進(jìn)汽閥有泄漏時，被封閉在加熱器水側(cè)的給水受到漏入蒸汽的加熱，會使管束的水壓力大幅度上升，導(dǎo)致爆管。（3）高加水側(cè)壓力過高又未安裝安全門時，過高的壓力會使管子鼓脹而變粗開裂。

1.2.6材質(zhì)、工藝不良

高加管子存在材質(zhì)不良、管壁厚薄不均、組裝前管子有缺陷、脹口處過脹、管子外側(cè)有拉損傷痕等情況時，一旦遇到異常工況，管子就會大量損壞高加U形管子管壁過薄，是結(jié)構(gòu)上造成泄漏的根本原因。

1.3運(yùn)行操作不當(dāng)引起的高加異常

1.3.1高加投運(yùn)不遵守限定的溫升率。如果高加能夠隨機(jī)組冷態(tài)正常投運(yùn)，滑啟滑停，這是最好的啟停模式。問題主要出在高加故障停運(yùn)檢修后熱態(tài)投入。如果操作不遵守限定的溫升率，在短時間內(nèi)，高加從常溫常壓迅速上升到高溫高壓，這種巨大的溫度壓力沖擊，會使高加遭受巨大的傷害。首當(dāng)其沖的是高加水室內(nèi)件變形，緊固件損壞，焊縫開裂，造成給水短路。其二是管板承受極大的應(yīng)力變化，特別是在管子管板焊口處的瞬時應(yīng)力極大，很容易造成焊口泄漏。而且厚實(shí)的管板與較薄的管束之間吸熱速度不同步，吸熱不均勻而產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，而使得U型管產(chǎn)生熱變形。

1.3.2高加水側(cè)投入后，熱態(tài)工況下，高加的進(jìn)汽閥門的打開，沒有按限定的溫升率；或者3個高加的汽側(cè)投入沒有按壓力從低到高的順序逐步投入；或者3個高加汽側(cè)同時投入的速度差別太大，造成壓力較高的高加先全開進(jìn)汽閥，壓力低的高加進(jìn)汽閥沒有全開。這時都會出現(xiàn)后一級高加超負(fù)荷運(yùn)行。如果上述現(xiàn)象持續(xù)時間足夠的長，將會造成高加的損壞。

1.3.3有的電廠在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)某1個高加的進(jìn)汽壓力偏高，有時高出設(shè)計(jì)值很多，為了減少高壓缸的額外抽汽損失，人為地將高加進(jìn)汽門的開度限制在75%上，結(jié)果造成本級高加殼側(cè)壓力下降較多，給水出口溫度大幅下降，使后一級高加超負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)汽量大增，疏水量大增，出現(xiàn)疏水管道振動和高加進(jìn)汽口處管束損壞的惡果。

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