電站鍋爐受熱面爆管原因分析及防范對策

張 昕

湖南火電建設(shè)有限公司，湖南長沙 410000

電站鍋爐受熱面爆管原因分析及防范對策

張 昕

湖南火電建設(shè)有限公司，湖南長沙 410000

大型鍋爐機組受熱面在新機調(diào)試階段爆管的原因很多，大體可以分為兩大類：1）安裝因素引起的爆管。包括施工單位安裝、機組調(diào)試原因等。2）非安裝因素引起的爆管。包括鍋爐制造廠家原因（如設(shè)計、制造、包裝、運輸?shù)仍颍?、電廠在機組生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生的原因。針對湖南寶慶電廠一期2×660MW機組#2鍋爐在試運過程中出現(xiàn)的前包墻爆管、水冷壁爆管現(xiàn)象，分析并總結(jié)鍋爐受熱面爆管的主要原因。從機組的設(shè)計、安裝以及調(diào)試等方面提出相應(yīng)的對策。

受熱面超溫；異物堵塞；爆管；防范對策

爆管是在鍋爐承受壓力的條件下導致省煤器、水冷壁、過熱器以及再熱器等受熱面管子發(fā)生破損。歸其主要原因，有以下幾點。1）汽溫和汽壓超臨界值或熱偏差增大，增加了管子的蠕脹速度。2）負荷變動率過于頻繁，從而水循環(huán)變慢或停滯，使管子出現(xiàn)疲勞破損。3）火焰偏位、管尾再燃以及局部結(jié)渣等運行程序不發(fā)致管子局部過熱。4）氣流在燃燒器的出口發(fā)生偏斜，致使出現(xiàn)“貼壁”、“飛邊”等現(xiàn)象，使水冷管磨損。5）水質(zhì)不合格致使管內(nèi)積鹽和管壁腐蝕，管壁過熱時發(fā)生爆管。6）操作程序不當致使管子的冷卻或加熱不均勻，管子易發(fā)生爆管。7）管材質(zhì)量不合格、管腔堵塞或錯用管子鋼號等制造及檢修質(zhì)量不良原因造成爆管。

1 爆管情況概述

國電寶慶電廠一期2×660MW機組工程鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限公司設(shè)計的660MW超超臨界參數(shù)變壓本生直流鍋爐，單爐膛、一次再熱、通過煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，全鋼結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣、懸吊構(gòu)架，對沖燃燒，露天設(shè)計。鍋爐機組型號為：DG2070/25.4-II9。

1.1前包墻爆管情況

2012年4月7日國電湖南寶慶煤電有限公司#2機組前包墻左數(shù)第37根承重管（標高66.7m）發(fā)生爆管，管子規(guī)格為Φ45×12.5mm，材質(zhì)為15CrMoG。管子爆口處斷裂，爆口呈明顯的喇叭狀，表面有較嚴重的氧化現(xiàn)象。經(jīng)測量，爆口尺寸約為161×160mm，爆口上下兩端各約2000mm內(nèi)有脹粗，其中爆口兩端各約500mm范圍內(nèi)脹粗明顯，管子最大脹粗為Φ61mm，脹粗率達35.6％。

如圖1所示，爆口處已經(jīng)斷開，呈脆性斷口，爆口斷面粗糙，尺寸約為 161×160mm，管壁明顯減薄，最小壁厚約為3.25mm，減薄率達74％，對內(nèi)壁檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷；內(nèi)窺檢查前包墻進、出口聯(lián)箱（共8個）存在有氧化皮的現(xiàn)象；并對爆管管子做了通球試驗，球順利通過；對前包同列前一根（φ38.1×9，15CrMo）拉稀管及低再垂直管屏左起第34、35二片（第34片前起第2～10根、第35片前起第1～8根）共17根做換管處理。

1.2水冷壁爆管情況

對前包墻做換管處理后，機組于2012年4月14日進行重新啟動，在機組啟動運行后不久，左側(cè)垂直水冷壁爐前數(shù)第 82 根管發(fā)生爆管泄漏， 爆口呈喇叭狀，爆口位置距垂直水冷壁進口聯(lián)箱約2000mm，管子規(guī)格為Φ31.8×9mm，材質(zhì)為15CrMoG。該管子有明顯過熱氧化現(xiàn)象；爆管爐前側(cè)相鄰3根管子吹損嚴重，無過熱現(xiàn)象；爐后側(cè)管子無明顯吹損。

現(xiàn)場對失效管及爐后側(cè)相鄰第1根管各取400mm長送樣進行分析，爐后側(cè)相鄰第1根管為對比試樣管。

如圖2所示，失效管爆口尺寸約為47×18mm，管壁明顯減薄，爆口呈裂紋狀，最小壁厚約為4.6mm，減薄率為49％；距爆口約200mm處管子內(nèi)/外徑分別為16.28/33.64mm，脹粗率為5.8％；爆口處及近爆口處金相組織發(fā)生相變，且內(nèi)壁氧化皮厚度約0.2mm；對比試樣管無脹粗現(xiàn)象，內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)缺陷。割管后對爆管處水冷壁管做通球試驗，球順利通過；檢查左側(cè)垂直水冷壁進口集箱、屏過進口集箱，未發(fā)現(xiàn)異物，有氧化皮；檢查螺旋水冷壁出口混合集箱，發(fā)現(xiàn)疏水管彎頭處氧化皮堆積嚴重，堆積長度約300mm。

2 爆管原因分析

該機組發(fā)生的兩次爆管的共同特性可總結(jié)為：均為啟動機組運行不久后即發(fā)生；管子在超溫負荷條件下均存在脹粗表觀；仔細檢查發(fā)現(xiàn)附近的管子均存在明顯被沖刷的痕跡。故兩次爆管均應(yīng)為典型的超溫負荷條件下導致的過熱爆管。根據(jù)爆管的形貌進行分析，爆管的可能原因為：燃燒時溫度負荷超臨界值；管道母材質(zhì)量不合格；管子在制造時本身存在裂紋等缺陷；局部異物堵塞管道。

經(jīng)過一系列的現(xiàn)場檢查和對爆管口理化檢查、爆管設(shè)備的割管檢查分析，確認包墻過熱器管子屬超溫蠕脹爆管，但苦于沒有發(fā)現(xiàn)堵塞的物件。根據(jù)金屬檢測報告，前包墻距爆口約3000mm處管子金相組織、拉伸性能、元素含量均符合標準要求，可判定該管子材質(zhì)正常；而爆口呈喇叭狀，管壁減薄率達74％，管徑脹粗率達35.6％，表面有較嚴重的氧化現(xiàn)象，金相組織發(fā)生相變，抗拉強度高于標準上限且斷后延伸率低于標準下限，具有典型的短期超溫特征。綜上，前包墻第37根承重管應(yīng)為典型的異物堵塞短期超溫爆管。

水冷壁爆管后，經(jīng)金屬檢測，水冷壁管對比試樣管金相組織、拉伸性能、元素含量均符合標準要求，可判定該管子材質(zhì)正常，無損檢測發(fā)現(xiàn)水冷壁管有輕微裂紋。在螺旋水冷壁出口混合集箱疏水管彎頭處存在面積較大的氧化膜，堵死疏水管90°彎頭，異物彎曲半徑較大，可判為集箱內(nèi)壁氧化膜，異物情況見圖3。

鍋爐廠家集箱制造是在集箱上的管座和端蓋焊后進行整體熱處理的，其內(nèi)壁在熱處理過程中會整表面地形成致密的氧化鐵膜，而這些比較厚且致密的氧化鐵膜在酸洗時是難以清洗掉的。所以鍋爐集箱內(nèi)壁致密的氧化鐵膜在試運時相對頻繁的啟停過程中就會較大塊地（相對大參數(shù)機組鍋爐管道的通徑來講）脫落，造成堵塞使管子因介質(zhì)流量減少而超溫蠕脹爆管或誘發(fā)管子其它的原因爆管。

經(jīng)以上分析認為：這兩次爆管的設(shè)備從結(jié)構(gòu)上來看都有集箱無手孔、有聯(lián)通管接入、出口的受熱面管子通徑小的特點：前包墻管為?45×12.5mm、水冷壁管為?31.8×9mm，通徑分別為20mm和13.8mm。兩處爆管又都有脹粗的跡象，從水冷壁混合集箱疏水管彎頭收集的異物都是脫落塊狀致密的氧化鐵膜來看，兩處爆管應(yīng)都是異物堵塞為主因的爆管。水冷壁管母材有裂紋也是一個主因，異物堵塞可能是加速其爆管的外因之一。

3 受熱面爆管的防范對策

3.1應(yīng)用于設(shè)計過程中的防范對策

1）選擇氧化皮易于輸送、傳熱偏差小的鍋爐。設(shè)計鍋爐時，應(yīng)盡量減小各管屏蒸汽氣流分配的偏差以及煙氣側(cè)的熱偏差，縮小受熱面的熱偏差，從而保證管子受熱均勻；盡量不使用節(jié)流孔圈，增大管子彎曲部位的半徑，從而減小異物堵塞在管腔內(nèi)的概率。

2）在金屬溫度過高區(qū)域加裝工質(zhì)溫度監(jiān)測點和壁溫監(jiān)測點，加強對這些區(qū)域溫度的監(jiān)測。

3）鍋爐廠在設(shè)備出廠前對集箱、大口徑連通管內(nèi)部等容易堆積氧化皮的位置進行噴砂處理，或采用不易生成氧化鐵膜的先進工藝。

3.2應(yīng)用于安裝過程中的防范對策

1）編制詳細規(guī)范的作業(yè)指導說明書，重視并采取潔凈化施工的技術(shù)措施，不僅安裝前應(yīng)有檢查設(shè)備清潔的措施，安裝過程中，也應(yīng)有施工技術(shù)措施保證系統(tǒng)的潔凈。

2）在組合安裝前對受熱面管子進行通球試驗，試驗所用球必須是嚴格管理和進行編號的硬質(zhì)球，切勿將試驗球遺忘在管內(nèi)；通球試驗后應(yīng)采取有效的封閉措施，并做相應(yīng)的登記記錄；管口的封閉措施，應(yīng)先用專用的塑料封口蓋封住管口，再用專用的透明膠紙繞管口兩圈，防止管子在對口之前掉入雜物。

3）現(xiàn)場組合焊接前，應(yīng)對所有過熱器、再熱器、水冷壁及省煤器的進、出口集箱（包括混合集箱）等設(shè)備進行全面內(nèi)部窺視（內(nèi)窺鏡）檢查，必要時應(yīng)割除封頭進行檢查，徹底清除內(nèi)部雜物。超臨界鍋爐還應(yīng)對啟動分離器、儲水罐內(nèi)部進行內(nèi)窺檢查。

4）小口徑管排管口焊縫返工時應(yīng)使用砂輪切割機切，禁止使用氣割；大口徑厚壁管為防止溶渣落入管道內(nèi)部，禁止直接用氣割將管道割穿。

5）進行保溫鉤釘或吊點焊接、臨時支撐切割時，應(yīng)采取有效的措施避免傷及受熱面管材；管道及相關(guān)設(shè)備安裝過程中，應(yīng)仔細檢查其固定或支撐的方式，為防止出現(xiàn)受阻膨脹造成的爆管現(xiàn)象，支吊架的設(shè)置必須合理。

6）必須嚴格按照相關(guān)工藝要求對焊接及熱處理工藝進行控制，嚴格按規(guī)程和作業(yè)指導書對無損檢測及金相檢驗進行檢測。施工過程中要克服隨意性，不得擅自變更施工工藝或方案，如發(fā)現(xiàn)與規(guī)程或工藝標準不符，必須經(jīng)過相應(yīng)的審批程序。對鍋爐制造廠的制造焊口進行抽檢，發(fā)現(xiàn)不合格的焊口應(yīng)及時返修，焊檢人員和焊接班負責工程師負責焊口質(zhì)量的檢驗和熱處理的工藝（特別是易造成爆管的部位如異種鋼焊接部位）。

7）爐本體設(shè)備以外的相應(yīng)管道或其他設(shè)備系統(tǒng)的內(nèi)部清潔工作需高度重視，質(zhì)檢人員和管道班負責工程師應(yīng)監(jiān)督執(zhí)行分管道的清潔度工作，杜絕其它雜物進入再熱管道、管道專業(yè)的給水管道等鍋爐受熱面。

8）在施工的過程中對安裝的幾何尺寸要嚴格按標準執(zhí)行，嚴格保證管排間距（尤其注意尾部受熱面的管排間距）、管排平整度等按標準要求執(zhí)行，防止形成煙氣走廊；低過、低再、省煤器等需安裝的防磨片不得錯裝或遺漏，安裝程序嚴格按照設(shè)計要求進行施工，以免出現(xiàn)管排磨損加速而造成受熱面爆管。

3.3應(yīng)用于調(diào)試過程中的防范對策

1）對機組的化學清洗工藝嚴格把關(guān)。機組的化學清洗前，要嚴格檢測系統(tǒng)除鹽水的質(zhì)量，保證水質(zhì)清潔、各設(shè)備以及汽水管道清洗干凈；機組的化學清洗時，要全面清洗，擴大清洗范圍；機組的化學清洗結(jié)束后，為確保機組內(nèi)部徹底清潔，應(yīng)對各除氧器、凝汽器等進行仔細的全面檢查。

2）機組運行應(yīng)控制在正常溫度范圍之內(nèi)。若出現(xiàn)鍋爐受熱面超溫問題時，可先經(jīng)調(diào)整，如還不能降溫，可嘗試通過降負荷運行或降低鍋爐汽溫參數(shù)等方法解決；在機組啟停時，升壓、升溫的速率應(yīng)嚴格按標準執(zhí)行；為防止人為操作不當或其他認為因素引起停機或機組參數(shù)劇烈波動，應(yīng)提高機組的自動化調(diào)節(jié)；在機組低負荷以及高負荷運行時均應(yīng)嚴格控制減溫水量，為避免出現(xiàn)參數(shù)的劇烈變化和受熱面超溫過熱氧化而導致氧化皮脫落進而堵塞管子的情況，應(yīng)注重采用調(diào)溫擋板或燃燒器擺動以及煤水比來控制蒸汽溫度。

3）機組運行時出現(xiàn)事故導致停機，為維持各鍋爐停機前的壓力和溫度，實現(xiàn)機組在熱態(tài)或極熱態(tài)下重新啟動，應(yīng)先進行悶爐，同時盡快查明導致停機事故的原因。機組在正常運行時應(yīng)嚴格控制減溫水的用量以及鍋爐的汽溫，避免金屬溫度差增大或溫度變化率加快而導致氧化皮的剝離。

4）在機組啟動前加裝爐管泄漏監(jiān)測裝置，對爐管實施即時監(jiān)測，由于超臨界鍋爐內(nèi)部壓力大，泄漏的高溫高壓汽和水對其流過的管道沖刷劇烈，如泄漏監(jiān)測裝置出現(xiàn)報警時，應(yīng)立即對機組進行檢查，如確認已出現(xiàn)泄漏， 可通過停爐或組織協(xié)調(diào)降參數(shù)來解決，以防爆管。

4 結(jié)論

綜上所述，鍋爐受熱面超溫爆管的原因具有多樣性和綜合性，從機組的設(shè)計、制造、安裝、基建調(diào)試以及生產(chǎn)運行等各環(huán)節(jié)采取防范對策，加強技術(shù)管理，可合理解決超臨界機組爆管問題，以確保機組投產(chǎn)后安全高效運行。

［1］電力建設(shè)施工及驗收技術(shù)規(guī)范［DL5031-94］（鍋爐篇）.

［2］馬麗云.鍋爐管道材料失效分析專家系統(tǒng)的研究［D］.華北電力大學，2003.

［3］趙旺初.大型鍋爐受熱面過熱爆破分析及措施［J］.鍋爐制造，1999.

［4］工程建設(shè)標準強制性條文（電力工程部分）［M］.2006.

［5］張萬德.電廠鍋爐過熱器爆管原因分析及對策［J］.煤炭工程，2009.

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1674-6708（2015）147-0120-03

張昕，助理工程師，工作單位：湖南火電建設(shè)有限公司