某電廠2#鍋爐爆管原因分析及預(yù)防措施

裴漸強(qiáng) 佟 桁 姜建華 徐 冬

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院新鄉(xiāng)分院 新鄉(xiāng) 453003）

（2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院 鄭州 450016）

1 鍋爐基本情況

某電廠2#鍋爐，型號(hào)為DG2102/25.4--II1，出廠編號(hào)為118035，出廠日期為2006年9月，其基本參數(shù)為：最大蒸發(fā)量2102t/h，過(guò)熱蒸汽出口壓力25.4MPa，過(guò)熱蒸汽出口溫度571℃，再熱蒸汽出口壓力4.11MPa，再熱蒸汽出口溫度569℃，再熱蒸汽流量1760t/h，給水溫度282℃，省煤器出口過(guò)?？諝庀禂?shù)1.14，空預(yù)器出口一次風(fēng)溫332℃，空預(yù)器出口二次風(fēng)溫347℃，排煙溫度132℃，鍋爐效率92.51%，燃煤（設(shè)計(jì)煤種）耗量244.36t/h。該鍋爐是一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行的本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、全鋼架全懸吊結(jié)構(gòu)，Π型露天布置。鍋爐采用HT-NR3旋流燃燒器，前后墻對(duì)沖布置，共4層，下三層為煤粉燃燒器，每層8只，共24只；第四層為燃盡風(fēng)，每面墻6只，共12只。

2 爆管情況

該鍋爐在168小時(shí)試運(yùn)過(guò)程中，曾經(jīng)發(fā)生三次爆管，具體情況如下：

1）第一次爆管：2007年6月12日12：30分左右，第一次試運(yùn)約124h，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)補(bǔ)水量突然增大約80t/h，泄漏報(bào)警儀報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)為高溫過(guò)熱器爆管，16：05緊急停爐。冷卻后，6月14上午現(xiàn)場(chǎng)察看，共有3根管子發(fā)生爆管，分別是末級(jí)過(guò)熱器（自左至右共計(jì)31排管子）左數(shù)第15排前數(shù)第14根，左數(shù)第16排（末級(jí)過(guò)熱器正中間）前數(shù)第8、10根管。首爆管初步認(rèn)為是左數(shù)第16排（末級(jí)過(guò)熱器正中間）前數(shù)第8、10根管（左數(shù)第15排前數(shù)第14根爆口兩側(cè)無(wú)明顯漲粗），爆口兩側(cè)管子各約300mm范圍內(nèi)管子有不同程度的脹粗現(xiàn)象，最大直徑達(dá)到48.4mm，且爆口附近無(wú)沖蝕痕跡，爆口距頂棚約4.8m，管子經(jīng)左右撞擊已嚴(yán)重扭曲，向前撞擊了屏過(guò)，左右撞擊末級(jí)過(guò)熱器，向后撞擊了高溫再熱器。

圖1 左往右數(shù)第16排前數(shù)第10根爆口

圖2 左往右數(shù)第16排前數(shù)第10根爆口

圖3 左往右數(shù)第16排前數(shù)第8根爆口

爆破管子材質(zhì)為TP347H，規(guī)格為φ45×6.9 mm，對(duì)爆口及附近管子進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，左往右數(shù)第16排前數(shù)第10根末級(jí)過(guò)熱器爆口宏觀形貌如圖1、圖2所示；左往右數(shù)第16排前數(shù)第8根末級(jí)過(guò)熱器爆口宏觀形貌形狀如圖3所示，爆管已撕裂斷開(kāi)。爆口沿管子軸向開(kāi)裂，無(wú)沖刷痕跡，爆口附近外表面裂紋呈軸向分布；爆口邊緣明顯減薄，厚度約為2mm，爆口處有明顯漲粗，爆口有剪切唇，屬于韌性開(kāi)裂。爆口附近（300mm內(nèi)）最大漲粗值分別為48.4、48.4、48.04、48.2mm，對(duì)爆破管子其它位置進(jìn)行測(cè)量最大漲粗值分別為45.9、45.8mm。對(duì)15、16、17排未爆破管子進(jìn)行測(cè)量其外徑均在45.1～45.2mm之間。

2）第二次爆管：2007年6月22日20：20分左右，第二次試運(yùn)約54h，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)泄漏報(bào)警儀報(bào)警，補(bǔ)水量突然增大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)為高溫過(guò)熱器爆管，21：51緊急停爐。冷卻后，6月24上午現(xiàn)場(chǎng)察看，檢查發(fā)現(xiàn)第16排管子前數(shù)第11根靠近中部位置爆管，爆口距頂棚約6m，管子經(jīng)左右撞擊已嚴(yán)重扭曲，向右側(cè)穿過(guò)4排管子，又折向左側(cè)穿過(guò)2排管子。

爆破管子材質(zhì)為TP347H，規(guī)格為φ45×6.9 mm，管子為上次更換過(guò)的新管，爆口附近最大漲粗值分別為48.1、47.7，爆口附近有10余條微裂紋。對(duì)14、15、16、17、18排未爆破管子進(jìn)行測(cè)量，其外徑均在45.1～45.2mm之間。

3）第三次爆管：2007年6月29日凌晨3：15左右，第三次試運(yùn)約20h，鍋爐再次發(fā)生爆管，4：40左右緊急停爐。7月2日經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，確定為高溫過(guò)熱器左數(shù)第16排出口段后數(shù)第13根管中部爆管，爆口距頂棚約7.8m，管子經(jīng)左右撞擊已嚴(yán)重扭曲，向右穿過(guò)17、18排，向后左方又穿過(guò)高再第17、16排。

爆破管子材質(zhì)為TP347H，規(guī)格為φ45×6.9 mm，爆口附近最大漲粗值分別為48.1、49.0，爆口附近800mm有20余條微裂紋。對(duì)13、14、15、16、17、18、19排未爆破管子進(jìn)行測(cè)量其外徑均在45.1～45.2mm之間。

3 處理措施

1）第一次爆管發(fā)生后，為了完成原訂于2007年6月30日試運(yùn)完畢的計(jì)劃，筆者初步認(rèn)定爆管屬于短時(shí)超溫爆管，爆管原因可能是管子材質(zhì)存在問(wèn)題，也可能是管內(nèi)異物引起的。筆者要求電廠對(duì)屏過(guò)出口集箱、末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱進(jìn)行檢查。用內(nèi)窺鏡檢查末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱發(fā)現(xiàn)第15排前數(shù)第9號(hào)管管口處有一焊渣（見(jiàn)圖4）， 第16排前數(shù)第9、10號(hào)管口之間有一段扁鋼長(zhǎng)約350mm，寬度約35mm，第 23排10號(hào)管管口處發(fā)現(xiàn)一“眼鏡片”（見(jiàn)圖5），在第17排前數(shù)第10號(hào)管管口處發(fā)現(xiàn)一段8號(hào)鐵絲，長(zhǎng)度約150mm（見(jiàn)圖6）；將上述異物全部取出并將整根集箱內(nèi)部清理干凈。6月18日搶修完畢（搶修所用管子為倉(cāng)庫(kù)余料，與安裝時(shí)所用管子為同材質(zhì)、同批次，對(duì)所有泄漏和損傷的管子全部進(jìn)行了更換），開(kāi)始第二次點(diǎn)火試運(yùn)。

圖4 焊渣長(zhǎng)度（80×30mm）

圖5 φ25mm的類“眼鏡片”

圖6 長(zhǎng)150mm V形鐵絲

2）第二次爆管發(fā)生后，檢查發(fā)現(xiàn)爆破管子為第一次檢修時(shí)更換過(guò)的新管，爆口與第一次爆管的特征相似，爆口附近有10余條微裂紋，于是筆者仍認(rèn)為第二次爆管屬于短期超溫過(guò)熱爆管，爆管原因和第一次相同。為確認(rèn)爆管是否由材質(zhì)不良引起的，筆者對(duì)爆破管子的金屬元素、金相組織進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明材料中各元素含量及金相組織均屬正常（分析結(jié)果詳見(jiàn)爆管原因分析部分）。

6月26日搶修完畢，搶修所用管子為從鍋爐制造單位新進(jìn)材料，使用前對(duì)管子進(jìn)行了全元素光譜分析，符合TP347H標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)格為φ45×6.9mm，將末級(jí)過(guò)熱器爆管的第16排第11根管子以及其他損傷的管子全部進(jìn)行更換，之后開(kāi)始第三次點(diǎn)火試運(yùn)。

3）第三次爆管發(fā)生后，電廠再次組織專家進(jìn)行事故原因分析，要求務(wù)必確定事故原因，消除所有隱患，確保鍋爐的安全運(yùn)行；6月30日雙投時(shí)限向后推遲。根據(jù)對(duì)管子的金屬元素、金相組織進(jìn)行分析結(jié)果基本正常，第三次爆口與第一、第二次爆管的特征相似，爆口附近仍有20余條微裂紋的特點(diǎn)，筆者確定第三次爆管仍屬于短期超溫過(guò)熱爆管，原因?yàn)楣軆?nèi)異物引起。筆者要求電廠對(duì)鍋爐后包墻集箱進(jìn)行內(nèi)窺鏡抽查，對(duì)低過(guò)、屏過(guò)、末級(jí)過(guò)熱器、減溫器所有集箱進(jìn)行檢查，將所有贓物、雜物徹底清除；對(duì)末級(jí)過(guò)熱器第15、16、17排管子逐段進(jìn)行漲粗檢查，第16排的20根管圈逐根進(jìn)行通球；同時(shí)要求鍋爐制造單位對(duì)末級(jí)過(guò)熱器節(jié)流圈進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

檢查發(fā)現(xiàn)，屏過(guò)入口分配集箱第6排一管口內(nèi)有一段長(zhǎng)度約120mm鐵絲，屏過(guò)入口分配集箱左第7根端蓋處發(fā)現(xiàn)一斷裂砂輪片的網(wǎng)狀纖維組織，面積約15×20mm，屏過(guò)入口分配集箱第11排一管口附近發(fā)現(xiàn)一環(huán)形機(jī)加工鐵屑，直徑約30mm；末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱第16排第13根管口處有一氧化鐵塊，長(zhǎng)度約60mm，最寬處約15mm，正卡在管口處；在末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱第16排第16根管口附近還發(fā)現(xiàn)兩個(gè)氧化鐵塊，一塊尺寸約10×24mm，另一塊尺寸約95×25mm。發(fā)現(xiàn)的七塊異物全部取出。其余集箱檢查均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

對(duì)爐內(nèi)高溫過(guò)熱器第15、16、17排管子逐根分段進(jìn)行脹粗、壁厚和外觀檢查，每隔1.5m選取一個(gè)點(diǎn)測(cè)量，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)末級(jí)過(guò)熱器第16排20圈管子全部進(jìn)行通球檢查，均順利通過(guò)，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

鍋爐制造單位對(duì)節(jié)流孔和管子設(shè)計(jì)進(jìn)行了重新計(jì)算和校核，結(jié)果表明節(jié)流孔設(shè)計(jì)及管子規(guī)格、材質(zhì)滿足使用要求，未發(fā)現(xiàn)不當(dāng)之處。

7月7日搶修完畢，開(kāi)始第四次點(diǎn)火試運(yùn)，168小時(shí)試運(yùn)順利完成。

4 爆管原因分析

第二次爆管發(fā)生后，為確認(rèn)爆管的主要原因是否由材質(zhì)不良引起的，筆者對(duì)管子（樣管為第一次爆破的管子，左往右數(shù)第16排前數(shù)第8、10根末級(jí)過(guò)熱器管子）的金屬元素、金相組織進(jìn)行分析。對(duì)爆口處管子進(jìn)行全光譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1，各元素含量均正常。

表1 管子全光譜分析結(jié)果

對(duì)爆口及附近管子進(jìn)行金相分析，結(jié)果如金相照片（見(jiàn)圖7～圖10），爆口端部：沿周向變形拉長(zhǎng)的奧氏體組織，外表面存在小裂紋。爆口附近：金相組織為等軸狀?yuàn)W氏體，存在孿晶。爆口及附近金相組織均正常。

根據(jù)宏觀檢查和上述分析結(jié)果，筆者認(rèn)為爆管的主要原因是異物堵塞（或部分堵塞）造成氣流不暢，引起管子超溫以致爆破，屬于短時(shí)超溫爆管。

圖7 爆口端部金相組織（500×）

圖8 爆口端部外表面形貌（200×）

圖9 距爆口40mm附近組織（500×）

根據(jù)宏觀檢查和上述分析結(jié)果，筆者認(rèn)為爆管的主要原因是異物堵塞（或部分堵塞）造成氣流不暢，引起管子超溫以致爆破，屬于短時(shí)超溫爆管。

爆管的主要原因是異物堵塞，異物應(yīng)由蒸汽攜帶而來(lái)。蒸汽垂直攜帶水滴當(dāng)量直徑計(jì)算公式為：

式中：D——蒸汽攜帶水滴當(dāng)量直徑，m；

ξ——蒸汽對(duì)水滴的摩擦系數(shù)，ξ=10/Re1/2；

ρ1——水滴質(zhì)量密度，kg/m3；

ρ2——蒸汽質(zhì)量密度，kg/m3；

v2——蒸汽流速，m/s ；

g——重力加速度，m/s2。

圖10 距爆口70mm附近組織（500×）

該鍋爐從屏式過(guò)熱器出口集箱至末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱由兩根管道連接，管徑均為φ508×85mm，經(jīng)計(jì)算可知，連通管內(nèi)蒸汽流速約為v2=42.7m/s。根據(jù)末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱設(shè)計(jì)參數(shù)p=25.9MPa、t=509℃，可查得蒸汽質(zhì)量密度ρ2=90.7kg/m，蒸汽運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)μ=0.0000326Pa·s；則動(dòng)力黏度系數(shù)v=μ/ρ2=3.59×10-7m/s， Re=v2d/v=40200000(d——管道內(nèi)直徑，0.338m)，ξ=10/Re1/2=0.00158，按ρ1=1000kg/m代入式（1）得D1=0.022m，即蒸汽垂直攜帶水滴直徑可達(dá)22mm。蒸汽水平攜帶水滴時(shí)由于沿程摩擦阻力比重力為小，蒸汽水平攜帶水滴直徑將大于22mm；蒸汽水平攜帶非金屬物質(zhì)時(shí)由于沿程摩擦阻力比水滴為大，蒸汽對(duì)非金屬物質(zhì)的摩擦系數(shù)比水滴大，非金屬物質(zhì)質(zhì)量密度與水滴質(zhì)量密度相近，則蒸汽水平攜帶非金屬物質(zhì)時(shí)當(dāng)量直徑仍然可達(dá)幾十毫米；蒸汽水平攜帶金屬物質(zhì)時(shí)由于沿程摩擦阻力比水滴為大，蒸汽對(duì)金屬物質(zhì)的摩擦系數(shù)比水滴小，且金屬物質(zhì)質(zhì)量密度約為水滴質(zhì)量密度的8倍，則蒸汽水平攜帶金屬物質(zhì)時(shí)當(dāng)量直徑可達(dá)幾毫米，遠(yuǎn)較非金屬物質(zhì)為小，但鋼絲之類的金屬仍可攜帶。

從上述計(jì)算和推斷，筆者認(rèn)為屏式過(guò)熱器出口集箱至末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱的連通管道內(nèi)，蒸汽完全有能力攜帶當(dāng)量直徑幾十毫米的非金屬焊渣及網(wǎng)狀物質(zhì)，而這些物質(zhì)一旦落到了末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱的管口處（節(jié)流圈直徑φ=12.5～14.5mm）將會(huì)造成管口的堵塞，使個(gè)別管子氣流不暢，以致引起短時(shí)超溫爆管。

既然蒸汽有能力攜帶非金屬焊渣及網(wǎng)狀物質(zhì)堵塞末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱的管口處，那么用內(nèi)窺鏡檢查時(shí)怎么見(jiàn)不到上述物質(zhì)呢？是根本不存在還是被蒸汽帶走了呢？下面我們以第16排第10根（節(jié)流圈直徑為13mm）為例進(jìn)行計(jì)算。

管子爆破后理論蒸汽排放量計(jì)算式為：

式中：A——流道面積，mm；

p——進(jìn)口處絕對(duì)壓力，MPa。

將末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱管口處的各參數(shù)代入式(2)得Q=25900kg/h（實(shí)際流量由于管子阻力的存在將比計(jì)算值?。?，由此可計(jì)算出節(jié)流圈處蒸汽流速v=597m/s，代入式（1）可得阻力系數(shù)ξ=0.00215，蒸汽可攜帶水滴當(dāng)量直徑D2=5.85m=266D1，即該處的蒸汽攜帶能力為連通管道內(nèi)的266倍，所以管子爆破后蒸汽將節(jié)流圈處的堵塞物瞬時(shí)送至煙風(fēng)系統(tǒng)，以致爆管后用內(nèi)窺鏡檢查時(shí)見(jiàn)不到任何堵塞物。

為什么三次爆管均發(fā)生在末級(jí)過(guò)熱器的第16排？其偶然性在于鍋爐管路系統(tǒng)存在雜物，堵塞或部分堵塞了末級(jí)過(guò)熱器的管路，造成了末級(jí)過(guò)熱器第16排被堵管子的超溫爆管。其必然性在于該鍋爐的結(jié)構(gòu)，一是該鍋爐從屏式過(guò)熱器出口集箱至末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱由兩根管道連接，一根從屏式過(guò)熱器出口集箱的左端引出經(jīng)二級(jí)減溫器到末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱的右端，另一根從屏式過(guò)熱器出口集箱的右端引出經(jīng)二級(jí)減溫器到末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱的左端，管徑均為φ508×85mm，經(jīng)計(jì)算可知，連通管內(nèi)蒸汽流速約為42.7m/s，至末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱的第16排管口處的蒸汽流速僅為2.75m/s。質(zhì)量較小的物質(zhì)可從屏式過(guò)熱器出口集箱處被攜帶至末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱，由于末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱內(nèi)從端部至中間蒸汽流速急劇下降，雜物極易落至末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱的第16排管口處，從而使末級(jí)過(guò)熱器的第16排管子易于堵塞；二是末級(jí)過(guò)熱器的第16排管子位于爐膛出口的正中間（自左至右末級(jí)過(guò)熱器共有32排管子），鍋爐采用HT-NR3旋流燃燒器，前后墻對(duì)沖布置，爐膛中部的煙溫最高，從而使末級(jí)過(guò)熱器的第16排管子成為末級(jí)過(guò)熱器的最薄弱環(huán)節(jié)，以致造成了2#鍋爐的三次爆管事故均出現(xiàn)在第16排管子處。

5 預(yù)防措施及建議

通過(guò)2#鍋爐爆管原因分析，筆者認(rèn)為新安裝大型電站鍋爐應(yīng)做好受熱內(nèi)部的清潔工作，以防止類似的鍋爐爆管事故發(fā)生，建議采取以下幾方面措施：

1）安裝前對(duì)各類管子進(jìn)行100%通球，保證暢通，防止制造過(guò)程中產(chǎn)生的雜物積存，堵塞受熱面管子。

2）鍋爐化學(xué)清洗后，應(yīng)割開(kāi)鍋爐下部各集箱封堵，進(jìn)行100%內(nèi)部檢查，以清除鍋爐安裝過(guò)程中帶進(jìn)管道系統(tǒng)的各種雜物。

3）鍋爐吹管后，應(yīng)割開(kāi)鍋爐過(guò)熱器、再熱器各集箱封堵，進(jìn)行100%內(nèi)部檢查，以清除制造、安裝、化學(xué)清洗過(guò)程產(chǎn)生的各種雜物，防止各類管子堵塞引起的爆管事故。

[1] 江宏俊.流體力學(xué)[M].陜西：西安交通大學(xué)出版社，1983.

[2] 曾丹苓,等.工程熱力學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1980.

[3] 車得福,等.鍋爐[M].陜西：西安交通大學(xué)出版社,2004.

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