電站鍋爐過熱器泄露原因及典型案例分析

王旭陳媛

國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)南 271000

0 引言

鍋爐過熱器泄露是影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運行的一個主要原因，在電站鍋爐運行中時有發(fā)生。特別是隨著鍋爐參數(shù)的不斷提高，過熱器泄漏事件愈發(fā)嚴(yán)重。造成鍋爐過熱器泄露的原因主要有超溫，腐蝕，飛灰磨損以及安裝，制造，焊接等方面的因素。有效地控制預(yù)防過熱器泄露，將有助于提高電站鍋爐的可靠性，對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行具有很大的意義。

1 超溫爆管

1.1 原因淺析

過熱器在高溫下運行所受到的應(yīng)力，主要是由過熱蒸汽壓力造成對管壁的切向應(yīng)力，在這種應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形，使管徑脹粗。當(dāng)管子超溫運行時，即使管子所受應(yīng)力不變，管子快速蠕變而發(fā)生脹管，隨著超溫速度的提高，蠕變速度以十倍甚至百倍的速度遞增，隨著超溫時間的增加，在管壁上產(chǎn)生晶間裂紋，晶間裂紋的繼續(xù)聚集并擴(kuò)大就形成宏觀軸向裂紋而爆管。管壁超溫運行溫度越高，壽命越短，短的只能維持幾十小時。

1.2 案例分析

1.2.1 設(shè)備簡介

華電青島發(fā)電有限公司事故機(jī)組為國產(chǎn)上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)美國ABB-CE公司技術(shù)，進(jìn)行改型設(shè)計制造的300MW亞臨界控制循環(huán)汽包鍋爐，鍋爐為單爐膛、一次中間再熱，全鋼架、懸吊結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣Π型露天鍋爐。型號為SG-1025/17.47-M878，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）為1025t/h，出口蒸汽參數(shù)為17.47MPa/541℃/541℃，鍋爐設(shè)計煤種及校核煤種為晉中貧煤。投產(chǎn)日期為2005年11月，累計已運行近3萬小時。后屏過熱器爆管部位材質(zhì)為鋼102，規(guī)格Φ54×8mm。

1.2.2 事情經(jīng)過

該電廠2010年6月16日晚23：40時鍋爐點火啟動，6月17日05：50時并網(wǎng)，事故發(fā)生前，機(jī)組負(fù)荷為198MW，兩臺送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)及2臺制粉系統(tǒng)等輔機(jī)運行正常，機(jī)組給水流量717T/H，主汽流量685 T/H，主汽溫度535℃。 2010年6月17日8：15運行監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)鍋爐給水流量出現(xiàn)異常，大于主汽流量，立即進(jìn)行全面檢查。發(fā)現(xiàn)鍋爐（北側(cè)）43米層#1、3長吹處冒汽，有異音，判斷爐管泄漏，現(xiàn)場技術(shù)人員檢查確認(rèn)后屏過熱器管泄漏。

1.2.3 原因分析

檢查發(fā)現(xiàn)后屏過熱器北數(shù)第3排西數(shù)第3根管爆破，爆口位置在水平段出口彎頭下部起弧點處（見圖1）。在爆管發(fā)生的過程中，由于工質(zhì)壓力高，在爆破瞬間釋放出的能量很大，造成爆管打出并且造成第三屏內(nèi)數(shù)4~13根管以及夾持管都發(fā)生不同程度的位移和變形，部分管卡和定位塊脫位、變形（見圖2）。

圖1 爆口形貌

圖2 現(xiàn)場爆口位置及變形情況

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該廠燃用煤質(zhì)偏離設(shè)計煤質(zhì)，改變了鍋爐的燃燒特性。為保證后屏過熱器汽溫在允許范圍內(nèi)，鍋爐點火啟動初期噴入了大量的減溫水，形成水塞，由此造成管束內(nèi)蒸汽停滯，影響后屏過熱器管子內(nèi)介質(zhì)的流動，使得后屏過熱器管壁溫度瞬間超溫（短時嚴(yán)重過熱），導(dǎo)致管壁溫度急劇上升脹粗爆管。

1.2.4 防范措施

1）做好煤種的摻燒摻配工作，根據(jù)煤種調(diào)整一、二、三次風(fēng)旋流強(qiáng)度、風(fēng)壓等，優(yōu)化鍋爐燃燒，降低爐膛出口煙溫，盡最大可能減少減溫水噴水量，保障后屏過熱器管蒸汽流量。

2）在后屏過熱器管排上增加溫度測點，實行對后屏過熱器壁溫的適時監(jiān)控，通過對壁溫數(shù)據(jù)的分析，及時調(diào)整運行工況。減少煙溫偏差，避免局部過熱超溫。

3）啟動時應(yīng)嚴(yán)格控制升溫速度＜3℃/min，啟動過程中在60MW負(fù)荷之前盡可能不投減溫水，避免其管壁溫度劇烈波動。在啟動和升負(fù)荷期間，注意監(jiān)視管壁溫度變化。

2 管材磨損

2.1 原因淺析

管材磨損主要為煙氣磨損和吹灰不良引起，吹灰器吹損有以下幾個原因：吹灰器內(nèi)漏；吹灰器不旋轉(zhuǎn)；吹灰器吹灰時帶水，吹灰器吹灰蒸汽壓力過高等，由于管卡、支吊架松動，定位塊脫落，在運行過程中與管子相互摩擦刮蹭。飛灰沖刷主要是煙氣流通部位設(shè)計欠妥，使某些部位煙氣走廊煙速增大。

2.2 案例分析

2.2.1 設(shè)備簡介

邢臺國泰發(fā)電有限責(zé)任公司新建11號鍋爐#11機(jī)組采用北京巴威公司生產(chǎn)的B&WB-1025/17.5-M型鍋爐。鍋爐為亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、一次中間再熱、固態(tài)排渣全懸吊結(jié)構(gòu)、單爐膛單汽包平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架的П型煤粉鍋爐。過熱蒸汽出口壓力為17.5MPa，出口溫度540℃；再熱蒸汽進(jìn)口壓力3.72MPa，出口壓力3.56MPa；進(jìn)口溫度325℃，出口溫度540℃；給水溫度279℃。爐膛上部布置屏式過熱器（見圖3），由外徑Φ51mm，壁厚6～8mm， 材質(zhì)為15CrMoG、12Cr1MoVG和T91鋼管，36管圈并繞分前后兩束，沿爐寬布置8片。過熱器設(shè)計壓力19.65MPa。

2.2.2 事情經(jīng)過

2009年2月2日 16：00發(fā)現(xiàn)11號鍋爐屏式過熱器泄漏，經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)屏式過熱器左數(shù)第5屏數(shù)根管存在爆口和漏點，左數(shù)第4~6屏部分管子被吹損，漏點分別為：

1）左5屏位置聯(lián)絡(luò)管；（斷開）

2）左5屏后數(shù)第1根（三連彎）、2~4根；其中后1、后2為夾持彎管；

3）左5屏后數(shù)第1、2個下部U形彎；共計7根。 見圖4、圖5。

圖3 屏式過熱器示意圖

圖4 爆管斷開示意圖

圖5 泄露現(xiàn)場示意圖

2.2.3 原因分析

檢查發(fā)現(xiàn)，屏式過熱器聯(lián)絡(luò)管、左數(shù)第5屏后數(shù)第1~4根，經(jīng)光譜分析材質(zhì)與設(shè)計相符，管子表面沖蝕痕跡明顯，機(jī)械磨損痕跡明顯，可認(rèn)定為蒸汽吹損及機(jī)械磨損原因造成的泄漏。后1、2下彎頭發(fā)現(xiàn)爆口處塑性變形大，管徑明顯脹粗，具有短時超溫爆管的特征；綜合化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢驗和金相檢驗結(jié)果，分析認(rèn)為后1、2下彎頭發(fā)生爆管是短時超溫所致。

此次泄漏爆口較多，經(jīng)過有關(guān)技術(shù)人員分析，認(rèn)為屏式過熱器左5屏后數(shù)第2根機(jī)械磨損爆口為第一漏點，其泄漏過程推斷為：1）后2根因機(jī)械磨損首先泄漏，吹損聯(lián)絡(luò)管，聯(lián)絡(luò)管壁厚減薄后爆漏，隨后斷開；2）后2根繼續(xù)吹損后1根三連彎內(nèi)彎處，后1根內(nèi)彎壁厚減薄后泄漏，開始反吹后2、后3根管左側(cè)；3）聯(lián)絡(luò)管在斷開前，泄漏口直接吹損后4根，將后4根吹漏，在后2根的不斷吹損下，聯(lián)絡(luò)管漏口越來越大，最終斷裂；4）后4根泄漏后開始吹損后3根管右側(cè)，將后3根吹漏；5）后1、后2下U形彎由于豎直管后3、后4的泄漏，管內(nèi)工質(zhì)流量減少，管子不斷過熱，最終在彎頭起弧點位置爆開。

2.2.4 防范措施

1）對泄漏及吹損管段全部進(jìn)行更換處理，共更換管段6根，下部U形彎5個；

2）屏式過熱器所有存在機(jī)械磨損情況的部位添加δ=5mm，1Cr18Ni9Ti材質(zhì)防磨護(hù)瓦；

3）在2009年度進(jìn)行的B級檢修期間，改變聯(lián)絡(luò)管固定方式：將聯(lián)絡(luò)管上移300mm，采用特制的十字形卡扣（δ=10mm，材質(zhì)：ZGCr20Ni14Si2）將聯(lián)絡(luò)管與屏過后1根固定連接，取消原固定方式，徹底消除了屏過管與聯(lián)絡(luò)管的機(jī)械磨損。

4）加強(qiáng)鍋爐機(jī)組的運行監(jiān)督和管理，發(fā)現(xiàn)泄漏應(yīng)立即申請停爐，避免泄漏點吹損其他管子造成更大損害，以減少搶修時間。

3 腐蝕爆管

3.1 原因淺析

過熱器高溫腐蝕，主要發(fā)生在高溫對流過熱器出口部位的幾排蛇形管。高溫腐蝕是由燃燒中的硫和燃料灰分中的堿金屬以及釩所引起。

3.2 案例分析

3.2.1 機(jī)組簡介

京能生物質(zhì)發(fā)電有限公司1號鍋爐為TG-75/3.82-Tjg型中溫中壓燃秸稈循環(huán)流化床電站生物質(zhì)鍋爐，燃料為棉花秸稈等生物質(zhì)燃料。鍋爐屬純國產(chǎn)化的研發(fā)產(chǎn)品，由東南大學(xué)提供技術(shù)，泰山集團(tuán)（泰安鍋爐廠）負(fù)責(zé)制造，山東電力建設(shè)一公司負(fù)責(zé)安裝。本臺鍋爐于2008年4月安裝完畢，2008年6月進(jìn)行整體調(diào)試，2008年6月15日正式投入運行，截止2009年5月25日累計運行時間3773小時。

高溫過熱器屬外置式過熱器，傳熱面積為62.7m2，布置于返料器內(nèi)，共28片管排，管子規(guī)格為42×4，材質(zhì)為12Cr1MoV。

3.2.2 事情經(jīng)過

2009年5月25日14時50分，京能生物質(zhì)發(fā)電有限公司1號（TG-75/3.82-Tjg）生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器突然爆管，返料器內(nèi)發(fā)出巨大聲響同時伴有大量蒸汽從返料器人孔門縫隙涌出，蒸汽與給水流量差增至10t/h，返料器右側(cè)溫度由630℃降至320℃。停爐降溫后檢查發(fā)現(xiàn)返料器右側(cè)返料閥上方15~30cm處兩根高溫過熱器管爆破，破口邊緣呈明顯薄刃狀，同時返料口上方澆注料墻體沖刷出直徑30cm的孔洞（見圖6）。

圖6 爆管情況及位置示意圖

3.2.3 原因分析

由圖7（A）可以看出爆管處于左返料弧形入口上方，返料灰由立管進(jìn)入返料床位置，此區(qū)域返料灰溫度較返料床中間位置偏高，分析后認(rèn)為該點在溫度較高情況下堿腐蝕速度相對較快。并且此位置返料風(fēng)量與松動風(fēng)相互匯合擾動與其它位置相比風(fēng)量大、風(fēng)速較高（如圖7（B）），返料灰濃度高沖刷能力較強(qiáng)，加速了管道a（如圖8）的磨損速度同時對返料口上方澆注料產(chǎn)生一定程度的磨損。磨損與腐蝕相互作用加速管壁變薄。高溫腐蝕在管壁表面形成一層銹皮，銹皮成斑塊狀裂開并附著在管壁上（見圖9），由于灰顆粒的沖刷作用管壁表面斑塊狀銹皮不斷脫落露出新的管壁，新的管壁又不斷被腐蝕、沖刷、脫落，使得高溫過熱器管壁加速變薄最終爆管。管道a點爆管后由于蒸汽強(qiáng)烈的沖蝕作用致使原本管壁就已變薄的b（見圖10）點管壁迅速變薄爆管。

圖7 爆破管道位置示意圖

圖8 爆破管a點示意圖

圖9 高溫腐蝕在管壁表面形成的銹皮示意圖

圖10 爆破管b點示意圖

3.2.4 防范措施

1）封堵直徑達(dá)39.5毫米腐蝕較為嚴(yán)重的左側(cè)5排管子及右側(cè)4排管子，鍋爐啟動后降低蒸汽溫度、降低蒸汽壓力運行；

2）計劃進(jìn)行改造，具體方案從如下改造方案擇優(yōu)選擇一種：

（1）高溫過熱器仍保留在原來位置，改變風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，增大檢修空間，將高溫過熱器管子的材質(zhì)由12Cr1MoV改為TP347H（屬Cr-Ni奧氏體不銹鋼管）。

（2）將高溫過熱器位置由反料器改到爐膛內(nèi)，并采用屏式過熱器管排，將高溫過熱器管子的材質(zhì)由12Cr1MoV改為TP347H （屬Cr-Ni奧氏體不銹鋼管）。

（3）將高溫過熱器移到外置對流管束處，并采用屏式過熱器管排，將高溫過熱器管子的材質(zhì)由12Cr1MoV改為TP347H（屬Cr-Ni奧氏體不銹鋼管）。

4 焊接質(zhì)量

4.1 原因淺析

安裝、檢修焊接質(zhì)量問題造成焊接部位產(chǎn)生應(yīng)力集中和接頭機(jī)械性能下降等，如焊口的咬邊、滿溢、焊瘤、內(nèi)凹（塌腰）、未焊透、夾渣、氣孔、裂縫（包括熱裂縫、冷裂縫和再熱裂紋等），致使焊口處成為薄弱部位而造成爆管。異種鋼焊接部位也是易造成爆管的部位，會在焊接接頭處因熱脹差發(fā)生環(huán)向的破裂。

4.2 案例分析

4.2.1 設(shè)備介紹

山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司2號爐為武漢鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的WGZ1045/17.5-1型的300MW亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐，一次中間再熱。鍋爐于2004年10月22日18：00正式投運。

4.2.2 事件經(jīng)過

2008年4月2日04時50分，漳山發(fā)電巡回檢查發(fā)現(xiàn)2號鍋爐左側(cè)51米水冷壁折焰角出口區(qū)有外漏的蒸汽，檢查2號爐“四管泄漏報警”光字牌第9、15點為亮，單元參數(shù)正常，經(jīng)檢修人員進(jìn)一步檢查確認(rèn)鍋爐煙井左包墻泄漏。申請2號爐停運、2號機(jī)組轉(zhuǎn)D級檢修，調(diào)度批準(zhǔn)。07時57分鍋爐停爐檢修。4月6日14時02分機(jī)組并網(wǎng)。

4.2.3 原因分析

從泄漏點分析認(rèn)為，煙井前包墻過熱器與左側(cè)包墻過熱器其內(nèi)部介質(zhì)溫度場不同，流向不同，由于連接鰭片密封安裝焊接不規(guī)范（未采取防止結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及熱應(yīng)力對四管的影響）是造成此次左包墻撕裂泄漏的原因。

4.2 防范措施

1）對泄漏和吹損減薄的管子全部進(jìn)行了更換，焊口全部采用氬弧焊接，焊絲R10，焊口全部無損射線檢驗合格，密封采用內(nèi)外焊接，焊條R107，對管內(nèi)介質(zhì)不同的管子鰭片密封連接處采用圓弧過渡，消除結(jié)構(gòu)應(yīng)力與熱應(yīng)力對管子造成的撕裂現(xiàn)象。

2）對延伸、前、左包墻以及水冷壁斜坡三角區(qū)采用耐火澆注料補(bǔ)填，消除了因管子更換后造成漏風(fēng)。

［1］張磊，廉根寬.鍋爐防磨防爆技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.