鍋爐蒸汽側(cè)超溫爆管原因分析與防治措施綜述

伍建洲

（廣東粵電博賀煤電有限公司，廣東　茂名　525000）

0　引言

現(xiàn)代大型鍋爐的熱負(fù)荷大、參數(shù)高，已使高溫受熱面的管壁溫度接近鋼材最高許用溫度。已投運(yùn)的600 MW超超臨界機(jī)組水冷壁等受熱面爆管現(xiàn)象頻繁發(fā)生，已成為困擾超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組安全的主要隱患。鍋爐事故中最多的是“四管（即省煤器、水冷壁、過(guò)熱器和再熱器）爆漏”，由于過(guò)熱器和再熱器長(zhǎng)期工作在高溫?zé)煔獾膰?yán)酷環(huán)境中，因此，常見(jiàn)鍋爐爆管事故中過(guò)熱器和再熱器的超溫爆管比例較大。并聯(lián)管組存在的熱偏差和流量偏差，會(huì)使偏差管的壁溫超過(guò)管組的平均壁溫，甚至超過(guò)最高許用溫度；水冷壁管傳熱惡化（如膜態(tài)沸騰），會(huì)使放熱系數(shù)急劇下降，管壁溫度急劇增加，甚至造成管壁過(guò)熱而燒壞?！八墓堋钡某瑴乇苁鹿室殉蔀榻档湾仩t利用率的主要因素之一。

隨著鍋爐不斷朝著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，鍋爐高溫受熱面因?yàn)槌瑴厮鸬膯?wèn)題主要有管內(nèi)氧化皮快速生成造成脫落引起的爆管、超溫爆管、降參數(shù)運(yùn)行等，歸根結(jié)底是由于爐內(nèi)高溫受熱面金屬壁溫超溫所造成。

以下就大型發(fā)電廠鍋爐高溫受熱面蒸汽側(cè)超溫導(dǎo)致爆管事故的原因與防治措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為我國(guó)發(fā)電廠鍋爐防止超溫爆管事故，提供了重要的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1　蒸汽側(cè)超溫爆管原因分析

導(dǎo)致高溫受熱面超溫爆管的根本原因在于蒸汽側(cè)的流量偏差，造成流量偏差的原因一般有以下幾種情況：

（1）由于集箱效應(yīng)導(dǎo)致屏間流量分配不均。

（2）由于管子排列結(jié)構(gòu)差異而引起的管間流量不均。

（3）由于熱效應(yīng)引起的流量分配不均。

（4）高溫受熱面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題、調(diào)溫裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題以及異物堵塞等。

1.1　爆管事故案例

華能某發(fā)電廠600 MW機(jī)組鍋爐側(cè)包墻發(fā)生了爆管事故[1]，對(duì)爆管事故進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，造成超溫爆管的主要原因是由于受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有缺陷，聯(lián)箱靜壓分布不均，導(dǎo)致了部分側(cè)包覆墻管子質(zhì)量流速過(guò)低，流量不足，使該部分的受熱面無(wú)法得到足夠的冷卻介質(zhì)。為此提出了4種改造方案：完善連通管系、飽和蒸汽直入包覆前側(cè)墻入口聯(lián)箱、改變側(cè)包覆墻管規(guī)格、增加節(jié)流圈。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，認(rèn)為采用增加節(jié)流圈的措施為最佳，并根據(jù)計(jì)算確定了改造的具體實(shí)施方案。改造后的運(yùn)行情況表明，相同負(fù)荷下，對(duì)比側(cè)包墻低溫過(guò)熱器壁溫分布，側(cè)包墻改造后各負(fù)荷下壁溫分布趨于合理，受熱面管子最高壁溫點(diǎn)比改造前大幅度降低，受熱面改造達(dá)到了預(yù)期目的。

河北國(guó)華某發(fā)電廠4號(hào)鍋爐水冷壁連續(xù)發(fā)生2次漏泄事故，2次爆管情況相同，爆管標(biāo)高相同[2]。結(jié)合宏觀爆口和電鏡分析，推斷出爆管部位的管壁溫度曾超過(guò)700℃，在該溫度下材料的強(qiáng)度急劇下降，最終導(dǎo)致短時(shí)超溫爆管。進(jìn)一步分析認(rèn)為，2次水冷壁爆管主要原因均為管子水流不暢通，造成冷卻條件惡化，在短期內(nèi)被加熱到較高的溫度，金屬?gòu)?qiáng)度下降，在內(nèi)部介質(zhì)壓力的作用下，爐管以較大的變形速度使管徑脹大，管壁減薄，當(dāng)管壁強(qiáng)度不能承受介質(zhì)壓力的作用時(shí)，管子開(kāi)裂。

某發(fā)電廠1 900 t/h超臨界壓力鍋爐發(fā)生一次螺旋水冷壁管泄漏事故[3],通過(guò)水冷壁管爆管部位宏觀分析、割管取樣檢測(cè)、回路通氣、聯(lián)箱接口和管路變徑部位內(nèi)窺鏡檢查以及回路分段通球等多項(xiàng)技術(shù)手段進(jìn)行了檢查,最終查明泄漏原因?yàn)槁菪浔诠転楸茏屓紵鲊娍趶濐^部位，造成內(nèi)部卡塞,回路內(nèi)部通流面積減小，導(dǎo)致管子局部長(zhǎng)期過(guò)熱所致。文獻(xiàn)[4]介紹了多種由異物堵塞引起的“四管泄漏”事故，按異物形成階段不同，將堵塞異物分為基建、檢修和自身產(chǎn)生異物。文獻(xiàn)[5]同樣介紹了某火電廠660 MW機(jī)組鍋爐由于異物長(zhǎng)期粘結(jié)在管內(nèi)壁，使得管子內(nèi)部流通介質(zhì)不足，造成管子長(zhǎng)期超溫運(yùn)行，導(dǎo)致組織老化，蠕變脹粗，最終爆管泄露。文獻(xiàn)[6]介紹了某發(fā)電廠末級(jí)再熱器爆管事故，通過(guò)初步現(xiàn)場(chǎng)分析、金相試驗(yàn)分析和力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)，判斷為異物堵塞管子造成管內(nèi)介質(zhì)流通不暢，最終導(dǎo)致管壁溫度升高爆管。珠海發(fā)電廠2×700 MW機(jī)組鍋爐高溫對(duì)流受熱面多次發(fā)生管壁超溫甚至爆管問(wèn)題[7]，從煤種、煙道煙氣溫度分布以及蒸汽側(cè)流量分布3個(gè)方面進(jìn)行的分析表明，超溫爆管主要由蒸汽側(cè)的流量分布偏差引起，煙氣側(cè)的溫度分布偏差則為次要原因。

1.2　爆管原因的系統(tǒng)分析

1.2.1高溫受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

（1）管組的進(jìn)/出口集箱的引入、引出方式布置不當(dāng)，使蒸汽在集箱中流動(dòng)時(shí)靜壓變化過(guò)大，從而造成較大的流量偏差。

（2）過(guò)熱器或再熱器的前后級(jí)之間沒(méi)有布置中間混合聯(lián)箱而直接連接，或者未進(jìn)行左右交叉，這樣使得前后級(jí)的偏差相互疊加，導(dǎo)致末級(jí)受熱面產(chǎn)生過(guò)大熱偏差。

（3）因同屏（片）并聯(lián)各管的結(jié)構(gòu)（如管長(zhǎng)、內(nèi)徑、彎頭數(shù)）差異，引起各管的阻力系數(shù)相差較大，造成較大的同屏（片）流量偏差、結(jié)構(gòu)偏差和熱偏差等。

1.2.2調(diào)溫裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理

（1）某些鍋爐在噴水減溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往通過(guò)1只噴水調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)一級(jí)噴水的總量，將噴水平均分配到左右2個(gè)回路。這時(shí)，當(dāng)左右側(cè)的燃燒工況或汽溫有較大偏差時(shí)，無(wú)法調(diào)整左右側(cè)噴水量來(lái)平衡兩側(cè)的氣溫。

（2）噴水式減溫器一般設(shè)計(jì)噴水量約為鍋爐額定蒸發(fā)量的3%～5%，當(dāng)汽溫偏離設(shè)計(jì)值較嚴(yán)重時(shí)，發(fā)現(xiàn)噴水減溫器容量不夠。

以上原因均可能造成高溫受熱面（過(guò)、再熱器）的超溫爆管事故。

1.2.3異物堵塞

（1）制造或安裝時(shí)，管道和聯(lián)箱組裝焊接對(duì)口前未徹底清理內(nèi)部遺留物。施工過(guò)程中未采取好防異物措施，造成焊渣、鋼管、焊條頭等雜物遺留在汽水管道及聯(lián)箱內(nèi)，導(dǎo)致部分管道口或節(jié)流孔堵塞，致使蒸汽流量不足，從而造成鍋爐受熱面管過(guò)熱爆管[4]。

（2）機(jī)組檢修時(shí)，防異物措施如通球、封堵、檢查清理等執(zhí)行不到位，異物進(jìn)入管道內(nèi)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和清除，致使運(yùn)行中發(fā)生堵塞爆管。

（3）汽水管道內(nèi)結(jié)構(gòu)件固定不牢或損壞。如減溫器設(shè)計(jì)制造存在質(zhì)量隱患，焊接強(qiáng)度不足，在運(yùn)行過(guò)程中，由于聯(lián)箱內(nèi)蒸汽沖擊，扁鋼墊板固焊點(diǎn)強(qiáng)度下降，導(dǎo)致扁鋼墊板脫落堵塞在管中，進(jìn)而造成高溫過(guò)熱器爆管。

1.2.4運(yùn)行狀況不佳引起的超溫爆管

（1）當(dāng)鍋爐運(yùn)行狀況不佳，導(dǎo)致各管子吸收管外煙氣熱量存在較大偏差時(shí)，導(dǎo)致管內(nèi)流量發(fā)生偏差，從而使蒸汽流量較小的管子內(nèi)蒸汽超溫。

（2）高壓加熱器（簡(jiǎn)稱高加）投入率低，容易導(dǎo)致鍋爐給水溫度降低。計(jì)算及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，給水溫度每降低1℃，過(guò)熱蒸汽溫度上升0.4～0.5℃。因此，高加停運(yùn)時(shí)，省煤器入口的給水溫度降低，在保證主蒸汽流量不變的情況下，需要增加入爐煤量，鍋爐煙氣量增大，造成鍋爐對(duì)流和輻射吸熱量發(fā)生變化，從而造成主蒸汽溫度升高[8]。

（3）鍋爐負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，鍋爐主汽壓力發(fā)生變化，蒸發(fā)段及過(guò)熱段的熱量分配發(fā)生變化，容易引起主汽溫度發(fā)生較大波動(dòng)，甚至發(fā)生主蒸汽溫度嚴(yán)重超溫現(xiàn)象。

（4）當(dāng)運(yùn)行狀況不佳引起水冷壁傳熱惡化時(shí)，將導(dǎo)致管內(nèi)壁對(duì)工質(zhì)的傳熱系數(shù)急劇減小，進(jìn)而造成壁溫飆升導(dǎo)致管壁超溫甚至爆管。

1.2.5加工制造工藝缺陷

（1）當(dāng)受熱面存在管材質(zhì)量缺陷或加工制造工藝缺陷時(shí)，管子容易因工作在高溫高壓環(huán)境下而發(fā)生超溫爆管事故。例如高溫受熱面管內(nèi)工質(zhì)溫度和壓力均較高，對(duì)于焊口質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格。當(dāng)焊接質(zhì)量不佳時(shí)，容易引起焊接處的蒸汽部分或全部短路，造成管子內(nèi)部蒸汽流量減少，管子冷卻不佳，進(jìn)而導(dǎo)致超溫爆管。

（2）當(dāng)管材的許用溫度或應(yīng)力不足時(shí)，即使管壁溫度正常、管內(nèi)壓力正常，也可能發(fā)生爆管事故。

2　防止爆管的措施

2.1　保證高溫受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性

（1）合理布置管組的進(jìn)/出口集箱的引入與引出方式，如進(jìn)行管組間的交叉布置等。

（2）同一種受熱面若分為多級(jí)受熱面時(shí)，根據(jù)需要布置中間集箱，以減小熱偏差。

（3）設(shè)計(jì)時(shí)，考慮同屏各管間不同管徑、不同管長(zhǎng)等因素帶來(lái)的不同阻力系數(shù)，通過(guò)增設(shè)節(jié)流圈等方法來(lái)保證各管間相同的工質(zhì)流量，并保證不同區(qū)域管子的流量分配與所處位置的煙氣放熱量相匹配，從而減少工質(zhì)的熱偏差。

2.2　合理設(shè)計(jì)調(diào)溫裝置系統(tǒng)

（1）當(dāng)同一受熱面左右兩側(cè)蒸汽溫度偏差較大時(shí)，對(duì)噴水減溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是：保證可以任意調(diào)節(jié)同一受熱面左右兩側(cè)的減溫水量，達(dá)到降低蒸汽溫度同時(shí)，也能調(diào)節(jié)同一受熱面兩側(cè)蒸汽溫度使其相同。

（2）保證噴水減溫器具有足夠的容量，即使蒸汽溫度偏離設(shè)計(jì)溫度很多時(shí)，噴水減溫系統(tǒng)也能將蒸汽溫度降低到正常范圍內(nèi)，防止蒸汽超溫。

2.3　防止異物堵塞

（1）在汽水系統(tǒng)安裝、檢修時(shí)，應(yīng)做好防止異物進(jìn)入的措施和清理措施。集箱內(nèi)部100%進(jìn)行清理檢查，除去設(shè)備的毛刺等異物，防止制造和安裝殘留物堵塞管道。此外，利用機(jī)組停運(yùn)機(jī)會(huì)，用內(nèi)窺鏡或其他方法對(duì)聯(lián)箱內(nèi)部及節(jié)流孔部位進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異物及時(shí)進(jìn)行清理。

（2）檢修中做好防異物控制措施。受熱面割管后及時(shí)封堵，坡口制作時(shí)，防止鐵屑進(jìn)入管道內(nèi)部；新管更換前進(jìn)行內(nèi)部清潔度檢查和通球試驗(yàn)，懷疑管內(nèi)有異物時(shí)，用內(nèi)窺鏡或其他方法進(jìn)行檢查并徹底清理。

（3）加強(qiáng)汽水管道內(nèi)構(gòu)件檢查，重點(diǎn)檢查減溫器、流量測(cè)量裝置、溫度測(cè)量裝置內(nèi)部構(gòu)件的完整性。

（4）管屏彎頭處容易發(fā)生異物堵塞，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需適當(dāng)加大彎頭的直徑，防止異物堵塞。

2.4　優(yōu)化鍋爐運(yùn)行

（1）調(diào)整運(yùn)行方式，優(yōu)化煙氣側(cè)流場(chǎng)，減少煙氣側(cè)的熱力不均勻性。

（2）優(yōu)化運(yùn)行，保證高加的投入率，防止由于高加解列造成的主蒸汽超溫現(xiàn)象。

（3）當(dāng)鍋爐需要變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在保證機(jī)組負(fù)荷變化調(diào)度要求的同時(shí)，盡量保證較小蒸汽溫度變化，以防主蒸汽發(fā)生短時(shí)超溫現(xiàn)象。

2.5　保證加工制造工藝的質(zhì)量

隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及加工制造技術(shù)的發(fā)展，高溫受熱面的材質(zhì)質(zhì)量能按照設(shè)計(jì)要求供貨，并且高溫受熱面的加工制造工藝也能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，目前因受熱面管材質(zhì)量缺陷及加工制造工藝缺陷造成的超溫爆管事故較少。但是，在制造廠制造加工和發(fā)電廠檢修時(shí)仍須注意嚴(yán)格檢查管材的質(zhì)量，嚴(yán)把加工制造關(guān)，避免此類(lèi)原因造成的超溫爆管事故。

2.6　對(duì)管內(nèi)蒸汽溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)

通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量或管內(nèi)蒸汽溫度在線計(jì)算方法，來(lái)實(shí)時(shí)掌握高溫受熱面各管子內(nèi)部蒸汽溫度，方便運(yùn)行人員對(duì)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在保證機(jī)組安全性的同時(shí)提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。例如，對(duì)高溫再熱器各管子內(nèi)的蒸汽溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)有部分管子的蒸汽溫度發(fā)生超溫過(guò)大時(shí)，需首先通過(guò)煙氣側(cè)的再熱汽溫調(diào)節(jié)方法（如調(diào)整燃燒器角度、尾部煙氣擋板、煙氣再循環(huán)等）進(jìn)行再熱汽溫的調(diào)整；當(dāng)煙氣側(cè)調(diào)溫作用有限時(shí)，則在必要時(shí)需將再熱器事故噴水減溫器閥門(mén)打開(kāi)（會(huì)降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性），將再熱汽溫控制在合理范圍內(nèi)。

3　結(jié)語(yǔ)

“四管”的超溫爆管事故已成為降低鍋爐利用率的主要因素之一,對(duì)鍋爐蒸汽側(cè)超溫爆管原因及其預(yù)防措施進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，可為我國(guó)大型發(fā)電廠鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供重要的參考經(jīng)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)研究統(tǒng)計(jì)，蒸汽側(cè)超溫爆管主要原因有高溫受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、調(diào)溫裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、異物堵塞、運(yùn)行狀況不佳、加工制造工藝缺陷等。

預(yù)防措施有合理設(shè)計(jì)高溫受熱面結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)調(diào)溫裝置系統(tǒng)、防止異物堵塞、優(yōu)化鍋爐運(yùn)行、保證加工制造工藝的質(zhì)量和對(duì)管內(nèi)蒸汽溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)[9-10]。