高壓加熱器泄漏原因分析、處理及防治

（陜西德源府谷能源有限公司，陜西 府谷 719400）

0 引言

陜西德源府谷能源有限公司的高壓加熱器由哈爾濱哈鍋鍋爐有限公司生產(chǎn)制造，臥式高加結(jié)構(gòu)，機(jī)組采用單系列、臥式大旁路布置，由3 臺(tái)高加及附件組成：即JG-2200-1 高加，JG-2170-2 高加，JG-1650-3 高加和附件。在高加內(nèi)通過(guò)汽輪機(jī)抽汽對(duì)主給水進(jìn)行加熱。高加為逐級(jí)自流疏水，在正常情況時(shí)3 號(hào)高加疏水自流至除氧器。危急情況下高加疏水流至排汽裝置，3 臺(tái)高加抽汽汽源分別為一段、二段、三段抽汽。機(jī)組自2008 投產(chǎn)以來(lái)，出現(xiàn)了數(shù)次高加泄漏故障，影響了機(jī)組的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，通過(guò)與電科院和制造廠家的技術(shù)人員溝通討論制定了處理方案和防治措施。

1 高加泄漏現(xiàn)象

2019 年6 月7 日下午，1 號(hào)機(jī)組總負(fù)荷為512 MW，3號(hào)高壓加熱器水位波動(dòng)異常，水位高信號(hào)報(bào)警，事故放水打開，泄漏檢測(cè)儀報(bào)警， 3 號(hào)高壓加熱器正常疏水調(diào)閥開度97%， 危機(jī)疏水調(diào)門頻繁動(dòng)作。給水溫度明顯降低，高加殼側(cè)內(nèi)部有水流沖刷聲音，以此判斷，3 號(hào)高加熱器殼側(cè)U型換熱管發(fā)生泄漏。隨后申請(qǐng)緊急降負(fù)荷，關(guān)閉高壓加熱器出入口閥門，鍋爐給水倒換為旁路運(yùn)行，關(guān)閉抽汽逆止閥和抽汽電動(dòng)閥，將機(jī)組解列，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了隔離。

2 泄漏分析判斷

通過(guò)對(duì)3 號(hào)高壓加熱器近段時(shí)間的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析， 判斷為3 號(hào)高壓加熱器管側(cè)泄漏嚴(yán)重，詳細(xì)分析見表1。

表1 3 號(hào)高壓加熱器泄漏分析

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)綜合分析可知，隨著時(shí)間的推移，2A/2B汽前泵的流量越來(lái)越大，小機(jī)轉(zhuǎn)速排除主汽壓力因素也越來(lái)越高。350 MW 負(fù)荷時(shí)，2A/2B 汽前泵流量增加約300 t/h， 450 MW 負(fù)荷時(shí)，2A/2B 汽前泵流量增加約400 t/h。3 號(hào)高壓加熱器的正常疏水調(diào)門開度也隨時(shí)間的增加全開，同時(shí)2A/2B 的汽前泵電流逐漸增大。

3 高加的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3 號(hào)高壓加熱器是典型的臥式U 型管管板式換熱器，其殼側(cè)介質(zhì)為蒸汽， 管側(cè)介質(zhì)為給水。抽汽在殼側(cè)凝結(jié)成疏水。蒸汽在高壓加熱器內(nèi)部對(duì)給水的加熱分為過(guò)熱蒸汽段、凝結(jié)放熱段及疏水冷卻段。#3 高壓加熱器壓熱器三段加熱面積分配合理， 使其疏水逐級(jí)自流至除氧器， 能滿足加熱器的正常運(yùn)行要求。3 號(hào)高壓加熱器的殼側(cè)及管側(cè)均設(shè)有超壓保護(hù)裝置， 管側(cè)入孔門采用自密封結(jié)構(gòu)。在加熱器里在蒸汽入口處和給水入口處均設(shè)置有防沖板，防沖板的作用就是為了防止高壓蒸汽和高壓水對(duì)管子造成沖蝕。加熱器水室組件包括給水進(jìn)、出口接管、水室包殼及人孔端蓋等如圖1 所示。

4 高壓加熱器泄漏原因分析

4.1 高溫腐蝕

將機(jī)組3 臺(tái)高壓加熱器的主要參數(shù)分類列出，進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)表2 工作參數(shù)的對(duì)比可知， 3 號(hào)高壓加熱器相比其他2 臺(tái)的殼側(cè)壓力最低， 進(jìn)汽量也最少，但是進(jìn)汽溫度是最高的，給水溫度卻又最低。加熱器的管側(cè)設(shè)計(jì)壓力為28 MPa，而殼側(cè)的壓力為2.3 MPa，兩者壓力相差12 倍之多，兩者溫差最大256℃， 所以3 號(hào)高加的運(yùn)行條件最為惡劣。根據(jù)哈爾濱鍋爐廠有限公司提供的圖紙，U型換熱管的材質(zhì)為SA-556Gr.C2，該材質(zhì)的使用溫度上限是450℃， 3 號(hào)高壓加熱器的加熱蒸汽溫度在機(jī)組運(yùn)行時(shí)為420℃~460℃。實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候會(huì)有超溫的時(shí)候，U 型換熱管的尺寸為Φ15.88×2.2mm，管壁很薄，腐蝕余量很少。由于3 號(hào)高壓加熱器的殼側(cè)壓力較低，連續(xù)排空氣壓力與除氧器壓力差較小， 這樣就容易使3 號(hào)高壓加熱器無(wú)法正常連續(xù)排空氣，導(dǎo)致非凝結(jié)氣體的積存，所以在長(zhǎng)期超溫的情況管系的腐蝕加速。由此分析得知， 高溫腐蝕是造成我廠3 號(hào)高壓加熱器管系泄漏的主要原因。

圖1 3 號(hào)高壓加熱器示意圖

表2 高壓加熱器主要參數(shù)對(duì)比

4.2 高壓加熱器在投運(yùn)或停運(yùn)過(guò)程中操作不當(dāng)

高壓加熱器投運(yùn)前暖管時(shí)間不足，在投運(yùn)過(guò)程中溫升速率超過(guò)規(guī)范，換熱管壁厚薄，吸熱快，與換熱管連接的管板厚（δ=620 mm）吸熱慢，兩者在同一時(shí)間的熱膨脹系數(shù)不一致，換熱管在膨脹的作用下產(chǎn)生變形。高加停運(yùn)時(shí)，降溫速度過(guò)快，高加上部的U 型管束溫降滯后于下部，從而形成較大的溫差，產(chǎn)生熱變形。產(chǎn)生了熱應(yīng)力，U 型管和管板膨脹量不一致，管子和管板之間的角焊縫或脹接處發(fā)生損壞。設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)引起管系異常振動(dòng)和高強(qiáng)度沖蝕，加速管子的損壞。

4.3 沖刷侵蝕

高壓蒸汽從蒸汽入口管進(jìn)入殼側(cè)，高壓蒸汽會(huì)被防沖板阻擋并分散進(jìn)入殼側(cè)，因防沖板材料和焊接質(zhì)量存在問題，在運(yùn)行中破損或脫落，失去了防沖刷的作用，高壓蒸汽的流速很高，在氣流中會(huì)有水滴，U 型管經(jīng)長(zhǎng)期的汽、水兩項(xiàng)流沖刷，管壁就會(huì)變薄，直至爆裂。圖2 為蒸汽入口下方的U 型管破損照片。殼側(cè)的水從疏水吸入口進(jìn)去疏水包殼，由疏水出口排至除氧器，疏水包殼內(nèi)有一定的壓力，同在殼側(cè)，疏水包殼內(nèi)壓力和汽側(cè)的壓力相差較大，由于疏水包括焊接質(zhì)量不良等原因，設(shè)備運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)加速了疏水包殼焊縫的開裂，疏水包殼一但泄漏就會(huì)造成殼側(cè)汽、水混合，水中含有大量的氣泡，不斷沖蝕著附近的換熱管，出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。

圖2 蒸汽入口管下方管子破損圖

4.4 U型換熱管震動(dòng)

U 型換熱管在殼側(cè)中穿過(guò)定位孔板，定位孔板起到支撐和固定固定的作用，當(dāng)給水溫度過(guò)低或者機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，蒸汽流量和流動(dòng)速度超就會(huì)過(guò)設(shè)計(jì)值，有彈性的管子在就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)激振力的頻率與U 型換熱管自然振動(dòng)頻率一致時(shí)，U 型換熱管產(chǎn)生共振，振動(dòng)幅度大大增加，管子與定位孔板管孔產(chǎn)生摩擦，隨著時(shí)間的推移，U 型換熱管管壁變薄，直至破裂。管子與管板連接處也會(huì)隨著振動(dòng)的加劇而超過(guò)材料的疲勞持久的極限，致使脹接部分松弛和管端角焊縫發(fā)生泄漏。

4.5 水質(zhì)腐蝕

3 號(hào)高壓加熱器使用的U 型換熱管材質(zhì)為SA-556Gr.C2 的碳素鋼，碳素鋼在給水中的pH 值過(guò)低或者含氧量過(guò)高時(shí)，會(huì)受到腐蝕，管壁變薄。由于凝結(jié)水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及給水泵多級(jí)水封易破壞等原因致使給水溶氧長(zhǎng)期超標(biāo)（大于7μg/L）， 管壁金屬在表面形成的氧化膜被高紊流度的給水破壞并帶走， 金屬材料不斷損失， 最終導(dǎo)致管子的破損。有時(shí)損壞面可以擴(kuò)大到管端焊縫甚至管板，由此造成了換熱管脹接部分的松弛。

4.6 材質(zhì)、檢修工藝不良

高壓加熱器在制造廠生產(chǎn)時(shí)，U 型換熱管的采購(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)壁厚負(fù)偏差，或者管子檢測(cè)盲區(qū)有缺陷，換熱管子穿管受阻時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)力穿管的現(xiàn)象，換熱管表面會(huì)出現(xiàn)或深或淺的劃痕，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就將隱患留在了設(shè)備上，這些缺陷在高壓加熱器運(yùn)行的某一階段就會(huì)發(fā)生泄漏。在檢修期間，發(fā)生泄漏會(huì)采用焊接堵銷的形式進(jìn)行堵管處理，當(dāng)堵銷安裝不合理，堵銷插入管口太深就會(huì)把管口擠變形，影響到附近的管孔，使之出現(xiàn)新的泄漏。

5 高加泄漏對(duì)機(jī)組的影響

當(dāng)換熱管發(fā)生泄漏時(shí)，高壓水會(huì)沖損管周圍管束，造成周圍管束爆裂，泄漏愈加嚴(yán)重，為減少爆管數(shù)量，應(yīng)立即將高加進(jìn)行解列，退出系統(tǒng)運(yùn)行。管側(cè)工作壓力為20 MPa，殼側(cè)工作壓力2.3 MPa，兩側(cè)的工作壓力相差很大，高加泄漏造成管側(cè)的高壓水就會(huì)進(jìn)入到殼側(cè)，殼側(cè)水位急劇升高，而水位保護(hù)器不能及時(shí)動(dòng)作，水位將逐漸淹沒U 型換熱管，換熱面積減少，當(dāng)水位持續(xù)上升會(huì)淹沒蒸汽入口管道，甚至?xí)M(jìn)入汽輪機(jī)缸體內(nèi)，造成汽輪機(jī)水沖擊事故。高加解列退出后，缺少換熱設(shè)備，鍋爐給水的溫度不夠，若要達(dá)到正常負(fù)荷的情況下，就需要提高爐膛的熱量，增加燃煤量，能耗過(guò)高不節(jié)能、不經(jīng)濟(jì)。高加泄漏直接影響高加投運(yùn)率。

6 泄漏處理措施

高加泄漏的位置幾乎都在殼側(cè)的U 型換熱管，少部分在管板側(cè)角焊縫，由于高加的結(jié)構(gòu)不能采用更換U型換熱管的方法，也不能在殼側(cè)進(jìn)行處理。所以處理方式只能在管側(cè)（水室），采用堵銷的方式將泄漏的換熱管進(jìn)行封堵，U 型換熱管管口均在管側(cè)，一上一下的2 個(gè)管口都要進(jìn)行封堵。高壓加熱器解列停車，待設(shè)備自然冷卻至55℃以下，不可采用強(qiáng)制風(fēng)冷或拆除設(shè)備保溫進(jìn)行快速降溫，此時(shí)解體高加水室入孔裝置，拆除牽制螺栓，取下入孔端蓋。水室內(nèi)作業(yè)空間狹小，作業(yè)前應(yīng)采用壓縮空氣或者風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，保證作業(yè)人員的安全。水室內(nèi)部的給水管口上部要做好隔離，拆除管板上的防沖板，查找泄漏的管子。如果是搶修，時(shí)間比較短的情況下，可采用殼側(cè)打氣壓，在管側(cè)管板上涂上肥皂泡進(jìn)行查漏，否則應(yīng)采用渦流逐根換熱管進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到缺陷管、壁厚減薄率超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管、泄露爆管的進(jìn)行標(biāo)記，并做好記錄。渦流檢測(cè)準(zhǔn)確率高，設(shè)備維修后不會(huì)留下安全隱患。加工足夠量的堵銷，堵銷是個(gè)上粗下細(xì)的圓柱體，最大直徑為管口內(nèi)徑增加0.5 mm，最小直徑為管口直徑減少0.5 mm，堵銷上加工膨脹孔，堵銷長(zhǎng)度為50 mm 為宜。堵銷材質(zhì)應(yīng)選用與換熱管材質(zhì)相匹配。對(duì)于泄漏的管口應(yīng)進(jìn)行打磨，去除原始焊縫，堵銷差入管孔，用手錘輕輕砸進(jìn)，堵銷砸至高出管板2 mm 左右即可，為保證焊接質(zhì)量推薦使用手工氬弧焊焊接堵銷角焊縫，焊縫要飽滿，焊后做滲透檢測(cè)合格。無(wú)論使用何種堵管工藝，為了保證堵管的質(zhì)量，被堵管的端頭部位一定要經(jīng)過(guò)良好的處理，使管板、管孔圓整、清潔，與堵頭有良好的接觸面。在管子與管板連接處有裂紋或沖蝕的情況下，一定要去除端部原管子材料及焊縫金屬，使堵頭與管板緊密接觸。圖3為U 型換熱管管口處泄漏點(diǎn)焊接修復(fù)完成照片。

圖3 管口處泄漏點(diǎn)焊接修復(fù)

7 高壓加熱器泄漏防治措施

7.1 加強(qiáng)質(zhì)量和成品保護(hù)

高壓加熱器在生產(chǎn)制造時(shí)，要保證原材料質(zhì)量過(guò)關(guān)，保證焊接質(zhì)量，不能忽視蒸汽擋板和疏水剝殼的焊接質(zhì)量，在U 型換熱管穿管時(shí)，不可用金屬錘擊，以免對(duì)管子造成損傷，高壓加熱器整體運(yùn)輸和安裝期間，要定期檢查高加充氮保護(hù)壓力是否正常。根據(jù)施工計(jì)劃安排，最后節(jié)點(diǎn)拆除充氮保護(hù)裝置，最大程度地保護(hù)換熱管不被腐蝕。

7.2 控制運(yùn)行參數(shù)

設(shè)備運(yùn)行和停車時(shí)要嚴(yán)格控制升、降溫速率，壓力及溫度的驟變不得超出設(shè)計(jì)規(guī)定值，防止高壓加熱器內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力而變形，減少換熱管振動(dòng)。設(shè)備溫度升、降溫速率為：給水溫升小于等于5℃/min，溫降小于等于2℃/min。運(yùn)行中不斷的調(diào)整水位，水位一般在1/3 為宜，不能出現(xiàn)干燒現(xiàn)象。嚴(yán)格控制水的pH 值和含氧量，給水pH 值維控制在9.1~9.5 。溶解氧的含量不得超過(guò)7 pg/L，如果殼側(cè)有氧氣的存在，將會(huì)引起U 型換熱管外壁的氧腐蝕，疏水中的Fe離子含量控制在20 μg/L~30 μg/L，減少對(duì)換熱管的腐蝕。

7.3 及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理事故

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，如殼側(cè)水位明顯上升，給水泵的出力不正常等情況時(shí)，說(shuō)明管系發(fā)生泄漏，一旦確認(rèn)是換熱管發(fā)生泄漏，應(yīng)將問題高加申請(qǐng)盡快退出運(yùn)行，并進(jìn)行檢漏，如果繼續(xù)運(yùn)行就會(huì)使周圍的換熱管也發(fā)生泄漏，而造成更大的損傷。在機(jī)組無(wú)負(fù)荷及高加緊急停運(yùn)時(shí)，立即切斷高加汽、管側(cè)，檢查抽汽逆止閥、電動(dòng)門是否關(guān)嚴(yán)，防止蒸汽繼續(xù)進(jìn)入殼體加熱不流動(dòng)的給水，引起管子熱變形，而切斷給水可避免抽汽消失后給水快速冷卻管板，引起管口焊縫產(chǎn)生熱應(yīng)力變形。高加加熱器停運(yùn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（超過(guò)30 d）應(yīng)該對(duì)高加管側(cè)進(jìn)行防銹處理，如充氮保護(hù)。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高壓加熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得知，在整個(gè)系統(tǒng)中，工作環(huán)境最惡劣的就是3 號(hào)高壓加熱器，管系內(nèi)外壓差、溫差最大，所以非常容易發(fā)生管束及管板焊接處泄漏。通過(guò)對(duì)3 號(hào)高加的論述，總結(jié)出對(duì)高加泄漏的原因、處理方案及防治措施，在整個(gè)機(jī)組當(dāng)中，1 號(hào)、2 號(hào)高壓加熱器也同樣會(huì)出現(xiàn)泄漏的情況，只是出現(xiàn)泄漏頻率較少而已。出現(xiàn)泄漏情況主要是由于設(shè)備運(yùn)行的操作不當(dāng)?shù)染C合因素，加速了泄漏的發(fā)生。因此，采取有效的預(yù)防措施及科學(xué)的運(yùn)行方式不僅可以極大程度減少高加的泄露，更能通過(guò)高加投運(yùn)小時(shí)數(shù)的增加，提高電廠機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。