海外600MW鍋爐省煤器頻繁共振爆管成因解析及改進措施

趙林峰，賀 莊，季程煜

（1.上海電氣電站工程公司，上海 201199；2.深圳中廣核工程設計有限公司，上海 200241）

1 省煤器爆管概況

某出口機組（印度首臺600MW機組），鍋爐型號：SG2050／17.47-M918，亞臨界參數“Π”型布置的汽包爐，采用控制循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒方式、燃燒器擺動調溫、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結構、露天布置燃煤鍋爐。過熱器出口溫度為540℃，過熱器出口壓力為17.47MPa，最大蒸發(fā)量為2 050t／h。省煤器位于后煙井低溫過熱器下方，布置于鍋爐的后煙井低溫過熱器下面，兩組布置，采用光管蛇形管，管子規(guī)格為Φ42×5mm，材料SA210-C，共209排，每排由四根并聯蛇形套管組成。順列布置，橫向節(jié)距為100mm，縱向節(jié)距為90mm。省煤器由吊板和管夾支吊，分別承載于四只省煤器中間集箱下，分四列懸吊，每列再通過省煤器中間集箱上的74根懸吊管懸吊承載，懸吊管規(guī)格為Φ60×12 mm，共296根，材料SA210-C，懸吊管內的冷卻介質來自省煤器。在低溫過熱器入口處后墻包覆管及省煤器進口處前后墻包覆管上均焊有煙氣阻流板，以防形成煙氣走廊，造成局部磨損。

省煤器發(fā)生泄漏、爆管是燃煤鍋爐普遍存在的問題［1，2］。試運一年里，1號機發(fā)生省煤器爆管11次（9次發(fā)生在省煤器進口與省煤器下管組連接管），2號機發(fā)生省煤器爆管5次（3次發(fā)生在省煤器進口與省煤器下管組連接管）。

圖1 省煤器爆管主要位置示意圖

按照省煤器爆管的主要位置示意如（圖1省煤器爆管主要位置示意圖）可見，1號爐及2號爐爆管位置明顯集中在省煤器進口集箱到省煤器下管組的連接管焊口。

2 成因分析

以下將從一次爆管入手，逐步展開深層的分析，然后查詢底片判斷典型的問題所在，最后分析省煤器振動超溫爆管機理作為理論依據。

2.1 省煤器爆管初步分析

2010年7月14日，電廠1號爐省煤器再次發(fā)生爆管停爐。事故中07402B道焊口泄漏，07502、07603兩根管子斷裂，其中07603是第5次爆管后換上的管子。初步分析過程如下：

（1）省煤器多次爆管均在B道，如果認為是因焊口缺陷引起的爆管則在A、B、C、D各道均會發(fā)生，不會只爆B道而其它各道不發(fā)生，由此認為在此位置存在較大的外部影響因素。

（2）都應用同樣材料，不可能僅在B道的材料有問題，可以排除材料問題的假設［3］。

（3）從這次斷口情況看，斷口位置在焊口以外約20～30mm，可以認為焊接缺陷不是爆管的主要原因。

（4）由于材料受到疲勞破壞的情況下，管子出現了環(huán)向斷裂現象。

（5）在煙氣擾動的情況下出現管排在爐內左右擺動，使管子在某特定區(qū)段發(fā)生共振，發(fā)生疲勞損壞。

由此可見14日爆管原因，根據傳回的管子斷口照片，綜上推斷是省煤器管因擺動和振動發(fā)生疲勞破壞的。

2.2 頻繁爆管深層分析

從頻繁爆管來看，大都具有以下幾個特征：

（1）每次處理爆管后水壓試驗不泄漏，運行一段時間后爆管斷裂，不是因焊接缺陷造成的強度原因引起的破壞，更象似疲勞破壞，因為疲勞破壞需要有一個過程。過去多次爆管周期約兩周左右的時間。1996年石門電廠1號爐前包墻荷重管爆管斷裂情況與本機組爆管有些相似，較齊的環(huán)形斷口，斷裂相同編號的管子，斷口基本無變形，每次爆管時間接近。

（2）根據現場鍋爐工程師記錄，在鍋爐水壓上水時，檢查發(fā)現省煤器進口集箱到省煤器下管組的連接管處有很多的管子發(fā)生晃動，最大的管子晃動幅度達到了15mm左右。

（3）強度原因的爆管多為縱向外翻裂口，此工程斷口多為環(huán)向斷裂，斷口沖刷處也無變形、無外翻邊，材料受到疲勞破壞的情況下將出現管子這樣斷裂。根據爐內管排布置情況來看，片與片之間無連接，在煙氣擾動的情況下出現管排在爐內左右擺動是有可能存在的（低頻振動），加上管內水汽引起的振動（高頻振動）。如果兩個振動的頻率發(fā)生重合，并出現共振現象，管子的振幅會很大，使管子或焊口處發(fā)生疲勞破壞［4］。

結合以上分析，鍋爐頻繁爆管引起的主要原因是省煤器進口到省煤器下管組連接管在運行過程中產生了較大的振動甚至共振，引起管子或者焊口發(fā)生疲勞破壞。

2.3 底片查閱復評分析

由于機組在試運行階段省煤器爆管次數較多，同時這些爆管的部位均位于焊口位置，判斷是由于焊接質量太差而引起的。因此對項目1號機組的以下部件的焊口射線檢驗底片進行查閱分析：包括一部分省煤器安裝過程中進行的射線檢驗底片；另外一部分是歷次爆管后，對管件進行更換后的射線檢驗底片。

2.3.1 對上述部件的射線檢驗底片進行復評。查閱情況如下：查閱82道焊口的射線檢驗底片，共有21張底片上顯示缺陷超標，6張底片上顯示錯口、折口。查閱省煤器58道焊口的射線檢驗底片，外方已進行返修的焊口有12道，一次合格率僅為60%。對已評定合格的20張底片查閱發(fā)現，有6張底片缺陷超標，1張底片上顯示焊口附近母材減薄1mm以上。38道焊口均為割后重焊，部分評定準確。

2.3.2 單從已查閱的底片來看，外方在幾次爆管后的換管焊接中，未按照我方的要求進行100%的射線檢驗，同時對底片的評定存在一定的問題。查驗多次分析報告暴露了外方管理上的許多問題與工作水平上的較大差距。

2.3.3 中方金屬檢驗人員及質檢人員，通過查看實際受損管件，拍片檢驗，部分爆管原因為省煤器焊口焊接質量不合格，導致焊口泄漏，泄漏的汽源直接沖刷對面的管子，致使管壁變薄而爆管。

檢查過程中，發(fā)現的比較典型的問題如下：

（1）焊口沿坡口漏水，主要是因為母材與焊縫未熔合；

（2）焊縫表面有氣孔、砂眼等缺陷，導致焊縫厚度不夠；

（3）焊縫收弧點未熔合；

（4）業(yè)主采取在管道上堆焊的方法修補，不按照廠家和安裝公司給出的爆管修復方案進行爆管修復，部分爆管修復仍然留有隱患。

（5）外方合作單位評片人員對底片上超過標準的缺陷沒有指出，造成問題被隱藏并造成爆管事故隱患。

由此可見本機組是出口到電力設備水平較為落后的海外地區(qū)，當地的施工管理水平和技術能力較弱，也與本機組的頻繁爆管事故有很大的關系。

2.4 省煤器超溫爆管振動機理分析

省煤器超溫爆管的原因非常復雜，一般主要由磨損、腐蝕以及振動引起［5］，基于本工程爆管的主原因就是振動引起，以下簡明熱交換器的管束自振和省煤器的管束振動情況。

2.4.1 熱交換器中的管束自振：根據氣流中管束的流動，熱交換器可以劃分成三大類。

（1）橫向流動：氣流橫向于管子中心線的流動時，由于Karman渦流在單根管子的脫離而造成的激發(fā)。

（2）平行流動：氣流平行于管子中心線的流動時，因形成的臨界層的路徑是彎曲的，氣流中渦流作用于管子一個離心力，致使管子更加彎曲，由此在氣流和管子之間產生自激振動。

（3）S形流動：氣流煙管子中心線呈S形流動時，橫向渦流脫離激發(fā)下和平行渦流強化下，激發(fā)管子振動。

2.4.2 省煤器的管束振動

分成順列和錯列兩種形式。

（1）順列式管束省煤器

溫度以及介質的聲速隨著省煤器外流體自上而下不斷流動而變化。由于煙氣橫掠管束時將背側產生漩渦脫離現象（即卡門渦流），其在物體表面形成交變的作用力，可能導致結構的疲勞失效；當漩渦脫離頻率和橫向煙氣固有頻率重合時，將進一步加強振動，整個流體及省煤器都會出現非常強烈的振動。并向四周環(huán)境輻射強烈的噪聲。

（2）錯列式管束省煤器

主要由于在鍋爐機組的煙道內，聲能散射部分與激發(fā)能相比所占的份額很大，煙氣的聲振自頻率主要與管組的自由寬度有關，振動有其自其特點。

3 采取的措施

3.1 技術解決措施

對于上述問題，設備廠家、廠家現場設計人員、現場安裝工程師都給予了高度重視，經過現場認真分析研究，制定整改方案，緊急采取了技術改造措施：在省煤器進口集箱到省煤器下管組的連接管管排上增加夾板，增加連接管管排的穩(wěn)定性并避免可能的共振。如圖2省煤器進口集箱到省煤器下管組連接管管夾所示。

根據廠家圖紙變更，與現場改進安裝，安裝了連接管管夾后，明顯降低了連接管管排在機組運行中的振動。省煤器進口集箱到省煤器下管組連接管部分的周期性爆管明顯減少。也驗證了之前對此部分的爆管與連接管的振動有關的分析是正確的。

3.2 防范及控制措施

基于現場實際檢驗的情況，中方焊接及質量人員針對項目情況，結合國內做法及相關標準，說服并建議業(yè)主和外方施工單位，制定如下防范及控制措施：

3.2.1 要求海外合作單位施工中加強焊口的焊接過程控制。

（1）控制焊接過程中的電流和電壓遵照《管壁＜6mm的管道焊接手冊》中提到的要求；

（2）控制氬氣流量，注意氬氣管走向，不能在焊接過程中中斷氬氣；

（3）認真清理坡口和焊絲，保證其表面清潔度；

圖2 省煤器進口集箱到省煤器下管組連接管管夾

（4）做到每一個焊口的外觀檢查符合規(guī)定要求；

（5）要求對所有修復的焊口進行100% 的RT檢查，至少保證2個角度拍片，評片人員嚴格按標準進行，超過標準的缺陷一定要進行返修，直到合格；

（6）所有的儀表必須有合格證，并在有校期內。

3.2.2 對省煤器所有焊口先進行外觀檢查，處理所有錯口、折口、砂眼等不合格的外觀缺陷后，進行100%的RT檢查。

3.2.3 對于省煤器爆管的修復，嚴格按照廠家的修復措施進行操作；更換損傷與變形較大的省煤器管［6］。

3.2.4 在省煤器管排夾板上用扁鋼將管排分多組焊接連接，使管排擺動自由度減小。

3.2.5 在B道和D道附近（彎管附近）用圓鋼做U形環(huán)卡住管子焊在分組的圓鋼或扁鋼上，和夾板上的一樣，從爐左至爐右分成適當的組數。（分組是考慮連接件熱脹冷縮問題）

4 結語

技術上采取讓整個省煤器橫向固有頻率互不相同的措施，可以改進鍋爐管束的振動。實踐中通過加裝省煤器管夾后，省煤器進口集箱到省煤器管組連接管的爆管事故明顯減少，取得了明顯的效果，機組的運行的安全性得到了提高。在這些事故處理過程中，通過與外方業(yè)主不斷溝通，業(yè)主對省煤器爆管的成因、爆管修復的態(tài)度、防范及控制管理水平都有了較大地提高，降低了事故的運行管理風險因素。同時，中方設備廠家與安裝指導人員對事故問題的處理上，表現出來的快速響應能力，務實認真地作風，取得了外方的更好信任和市場預期。

［1］ 南京工業(yè)大學.西安交通大學熱能動力熱能研究室.電廠鍋爐原理［M］.北京：電力工業(yè)出版社，1980.

［2］ 趙建英，趙金表.省煤器擴展受熱面技術探討與應用［J］.河北電力技術，2003（2）.ZHAO Jian-ying，ZHAO Jin-biao.Discussion and application of economizer heating surface extension［J］.Hebei Electric Power，2003（2）.

［3］ 張羽.湖南省火電建設公司檢測中心關于海薩＃1爐省煤器爆管報告［R］.2010年7月19日.

［4］ 張都清，張廣成，曹立春.電廠中汽水管道的振動原因及對策［J］.山東電力技術，2006（1）：56-57.ZHANG Du-qing，ZHANG Guang-cheng，CAO Li-chun.Treatments and reasons for vibration of the pipe in power plants［J］.ShanDong Electric Power Technology，2006（1）：56-57.

［5］ 張少峰.電廠鍋爐省煤器爆管的原因分析與處理措施［DB／OL］.中國電力科技網，2008-10-09.

［6］ 李云鵬.郝文森，等.省煤器博阿關及變形分析［J］.大慶石油學院學報，1994，18（3）：53-56