鍋爐埋管爆管事故的分析及處理

趙 強，張路軍

（山東省特種設備檢驗研究院濟寧分院，山東濟寧 272000）

0 引言

某單位自備電廠1 臺75 t/h 低速循環(huán)流化床，額定壓力為5.3 MPa，額定汽溫為485 ℃。2001 年投入使用后，一直未能帶滿負荷（最大負荷約為60 t/h），而且流化狀況較差，在負荷大的時候，還容易出現(xiàn)局部結焦的現(xiàn)象。最近幾年由于用汽量增加，為提高鍋爐出力、解決局部結焦的問題，對鍋爐進行改造。采取封堵布風板四周部分風帽，減少通風截面，提高風速、改善流化狀況、強化埋管換熱的方法，同時還對磨損嚴重的中、下排埋管進行更換。改造維修后，流化狀況得到改善，沒有再出現(xiàn)結焦現(xiàn)象，鍋爐最大負荷提高到72 t/h。但改造后運行半年，即頻繁發(fā)生爆管事故，爆管后，對泄漏的埋管采取封堵方法，然后繼續(xù)運行，此后爆管事故不斷，由開始間隔為1 個多月，后來最短的時候到2 天，致使鍋爐多次緊急停爐，給單位造成重大經(jīng)濟損失。

1 原因分析

1.1 檢驗情況

該鍋爐密相區(qū)設計有埋管4 組，材質為20G，規(guī)格為Φ57×10 mm，外壁焊有防磨鰭片。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)兩側埋管基本完好，中間2 組多處爆管泄漏，爆管附近處埋管因沖刷也出現(xiàn)泄漏；部分埋管嚴重彎曲變形（圖1）。泄漏、變形的埋管多集中在爐膛中部，爆破位置在埋管中上段，距埋管出口集箱較近。

埋管的循環(huán)回路為：鍋筒中的水經(jīng)集中下降管分配到埋管入口集箱，經(jīng)埋管進入出口集箱，然后經(jīng)連接管進入水平煙道左右包墻水冷壁，再經(jīng)連接管進入鍋筒。分析埋管的水循環(huán)回路，其設計符合要求。

1.2 腐蝕和高溫氧化，使埋管冷卻變差，導致材料超溫

宏觀檢查埋管無明顯磨損痕跡。對爆口附近可測量部位進行測厚，測厚數(shù)值均在（8.5～10）mm，剩余壁厚遠大于最小壁厚，可以判定磨損減薄不是造成爆管事故的原因。

對鍋爐埋管維修管材原始資料進行復查，對割除下來爆管的管段進行光譜分析，數(shù)據(jù)符合GB/T 5310—2008 標準的要求。

圖1 變形的埋管

對變形和爆破的埋管進行檢查，發(fā)現(xiàn)變形最嚴重的管子，外壁顏色發(fā)黑，外壁氧化層厚度約2 mm。發(fā)生爆管的埋管有輕微脹粗現(xiàn)象，爆口為縱向開裂，爆口邊緣為鈍邊（圖2），其開裂嚴重的1 處長度為140 mm，寬度最大處為4 mm。具有長期超溫爆管的特征。

對爆破和變形嚴重的埋管進行割管檢查，發(fā)現(xiàn)管內生成的氧化層非常嚴重，較少的厚度也＞2 mm，有的已經(jīng)形成塊狀（圖3），將管內基本堵死。其顏色為黑色，較疏松。經(jīng)分析，F(xiàn)e3O4為10.9%，F(xiàn)e2O3為87.2%，Na3PO4為1.8%。

埋管為更換不久的新鋼管，由于未進行堿煮和鈍化，未能在表面形成良好的鈍化保護膜，使運行中腐蝕加劇。當鍋爐給水中含有氧時，就會使爐管電化學腐蝕加劇，其最終腐蝕產物為Fe（OH）3，脫水后為Fe2O3。在（450～570）℃時，水蒸汽也會與碳鋼發(fā)生反應，生成疏松的Fe3O4，當溫度為570 ℃以上時，其反應生成物為Fe2O3。

由于生成的Fe 的氧化物比較疏松，再加上汽水流動、鍋爐振動等不穩(wěn)定因素，氧化層有時會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，汽水與剝落氧化層之后的碳鋼表面繼續(xù)反應，或者是通過疏松的空隙與碳鋼表面反應，使腐蝕不斷進行。由于埋管一般為與水平線夾角12°傾斜布置，腐蝕產物容易沉積，導致管內流通面積減少，汽水流動受阻，使埋管冷卻變差，出現(xiàn)超溫情況，隨著氧化物沉積的增多，超溫現(xiàn)象更為嚴重，最終導致埋管變形、爆管。

1.3 風室進風結構不合理，流化不好，導致中部埋管熱負荷過大

鍋爐風室進風結構如圖4。由于采用前面兩側進風，A 區(qū)處于左右側氣流交匯處，在兩側氣流強度差別不大的情況下，A 區(qū)由于氣流速度降低，靜壓升高，導致該處風帽中小孔風速高，流化好。而B、C 區(qū)為截面突變區(qū)域，會產生渦流。渦流的存在，使該處氣流能量損失增大，同時使壓頭降低，因此該處風帽中小孔風速較低，流化較差。當給煤顆粒度較大時，該情況尤其突出。上述情況也是運行中B、C 區(qū)易于結焦的原因。使用單位也反映，在進行流化試驗時，B、C 區(qū)基本沒有沸騰現(xiàn)象。這樣使中部埋管處于高風速區(qū)，換熱強烈，熱負荷較大。

1.4 改造、維修不當，加劇埋管熱負荷不均的現(xiàn)象

圖2 爆口部分形貌

圖3 管內氧化物

在帶有埋管的低速流化床中，埋管的蒸發(fā)量占鍋爐出力的一半以上。因此在鍋爐負荷變大時，埋管中水的含汽率比較高。該鍋爐從頻繁發(fā)生事故的時間看，都是在對布風板改造后發(fā)生的。布風板改造后，通風面積縮小，風帽小孔風速提高，犧牲了爐膛靠近四周澆注料的埋管的換熱，使鍋爐B、C 區(qū)靠近中部的區(qū)域流化狀況有所改善，鍋爐帶負荷能力提高，但并沒有根本上解決風室風壓不均勻的問題，從而沒有解決流化不均勻的現(xiàn)象。四周封堵風帽后，使改造前中部原本小孔風速高、流化好的地方，在改造后，小孔風速進一步提高，換熱更為強烈，中部埋管熱負荷過大，管內含汽率較高。傾斜安裝的埋管也容易出現(xiàn)汽塞和汽水分層，最終個別管子會因產生的蒸汽量大，出現(xiàn)傳熱惡化，在埋管局部出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，過多的蒸汽一旦形成汽塞，循環(huán)流速會進一步下降，會加劇超溫情況，也加劇了汽水腐蝕速度。隨著腐蝕產物的產生，超溫現(xiàn)象進一步加劇，進入惡性循環(huán)，導致過熱爆管。使用單位在埋管爆破后，為不影響使用，搶修時采用了簡單的封堵，使附近埋管熱負荷進一步增加，從而導致附近熱負荷較高的埋管繼續(xù)爆管。

圖4 鍋爐風室結構

1.5 爆管原因

綜上所述，該鍋爐埋管頻繁爆管主要是由于流化不均勻、改造維修不當，使部分埋管熱負荷過高，致使埋管內出現(xiàn)大量水蒸汽，導致傳熱惡化；而汽水腐蝕產物的堆積加劇了材料超溫情況，最終導致埋管過熱爆管。

2 處理措施

（1）更換變形、泄漏、封堵的埋管。更換后進行清洗和鈍化，清除內部的氧化層，并形成致密的鈍化層，降低運行時的腐蝕。

（2）對風室進風進行改造。改造示意圖如圖5。在兩側進風道內增加導流板，考慮到床下點火溫度較高，因此采用了304 不銹鋼作為導流板材料。導流板的采用，是為了消除B、C 兩個渦流區(qū)，基本上使進入風室的氣流以較為均勻的方式布滿整個風室，減少風室內的風壓的偏差。運行情況表明，其流化狀況明顯好轉。鍋爐基本能接近滿負荷狀態(tài)。

（3）恢復封堵的風帽，避免單根埋管熱負荷過高，靠均衡埋管熱負荷，提高鍋爐出力。

（4）由于隨給煤顆粒度的增大，要保證流化良好，小孔風速也要相應提高，因此運行中，要控制好給煤顆粒度。

圖5 改造后的進風示意

3 結束語

經(jīng)過上述處理后，至今已運行5 年，未在發(fā)生爆管現(xiàn)象，最大帶負荷能力基本維持在70 t/h 以上。