CFB 鍋爐二級減溫器裂紋故障分析及處理

李 偉

（中國石化茂名分公司熱電分部，廣東茂名 525011）

0 引言

在生產(chǎn)作業(yè)過程中，CFB（Circulating Fluidized Bed boiler，循環(huán)流化床鍋爐）二級減溫器裂紋故障發(fā)生的頻次非常高，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，工業(yè)企業(yè)在現(xiàn)代化的發(fā)展過程中，要根據(jù)CFB 鍋爐二級減溫器故障的相關(guān)原因，來采取有效的裂紋控制手段，消除鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行中的各種風(fēng)險(xiǎn)。

1 減溫器結(jié)構(gòu)及作用

根據(jù)CFB 鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，減溫器是鍋爐系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)成，在整個(gè)的鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮著不可替代的作用。該鍋爐采用兩級噴水減溫器來進(jìn)行過熱汽溫的有效調(diào)節(jié)，其中，第一級噴水減溫器處于一級過熱器出口集箱到屏式過熱器進(jìn)口集箱的連接管道，左右各設(shè)計(jì)有一個(gè)，設(shè)計(jì)噴水量全部處于這一級中，鍋爐運(yùn)行中起著主要的調(diào)節(jié)與控制作用，在一定程度上可以將屏式過熱器管壁溫度控制在合理的范圍內(nèi)。第二級減溫器處于屏過出口集箱到二級過熱器進(jìn)口集箱的導(dǎo)管上，同樣在左右各設(shè)計(jì)了一個(gè)，在鍋爐運(yùn)行中，當(dāng)一級減溫器噴水量受到了限制以后，就要啟用這一級別的減溫器。

在該鍋爐系統(tǒng)中，一、二級左右側(cè)的噴水減溫器，均使用的是旋渦文丘里式噴水減溫器，這種特殊的減溫器類型整體結(jié)構(gòu)包含了筒體、噴頭、文丘里混合管、襯套。在減溫器的運(yùn)行過程中，因?yàn)樵谖那鹄锸焦芏瞬吭O(shè)置有一個(gè)旋渦噴嘴，該旋渦噴嘴的霧化作用非常突出，減溫水經(jīng)過旋渦噴嘴的霧化處理以后，進(jìn)入文丘里管與蒸汽直接混合，整體結(jié)構(gòu)簡單，保障了二者之間良好的混合效果，減溫幅度非常大。

2 設(shè)備概況

某工業(yè)企業(yè)的動(dòng)力車間2#CFB 鍋爐B0102，設(shè)備型號為FW-410/9.81-M004，介質(zhì)主要為蒸汽，設(shè)計(jì)負(fù)荷410 t/h，設(shè)計(jì)壓力9.81 MPa，設(shè)計(jì)溫度535 ℃。在該鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，CFB 鍋爐二級減溫器存在裂紋故障頻發(fā)的問題，嚴(yán)重影響了鍋爐系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)裂紋情況所引起的停工情況分析，其停工經(jīng)過如下：某年9 月21 日上午，班組在操作的過程中，發(fā)現(xiàn)2#爐6 樓北側(cè)部位的二級減溫水入減溫器的保溫鋁皮部位存在冒汽情況，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這一問題可能是由于此部位的泄漏所引起的，有關(guān)人員發(fā)現(xiàn)這一問題后，及時(shí)上報(bào)了相關(guān)部門，檢查發(fā)現(xiàn)在鍋爐二級減溫器母線外表面有一條長120 mm 的裂紋。

3 CFB 鍋爐二級減溫器裂紋故障分析

3.1 主要問題及檢查情況

在該CFB 鍋爐中發(fā)現(xiàn)二級減溫器裂紋故障以后，為避免裂紋對生產(chǎn)的直接影響，減小經(jīng)濟(jì)損失，有關(guān)部門立即組織相關(guān)人員對現(xiàn)場的裂紋情況進(jìn)行了檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，二級減溫器故障部位集箱材料的材質(zhì)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；集箱硬度最高110 HB，根據(jù)特定標(biāo)準(zhǔn)，其硬度值最好控制在125～179 HB，對比發(fā)現(xiàn)集箱硬度低于正常標(biāo)準(zhǔn)；經(jīng)由金相檢查，球化級別為3 級，屬于輕度球化；UT 檢查結(jié)果表明，故障部位的裂紋長度360 mm。

經(jīng)由內(nèi)窺鏡檢查，在減溫器北側(cè)內(nèi)套筒縮頸處焊縫位置存在著明顯缺陷，根據(jù)對現(xiàn)場缺陷的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)套筒中存在微孔洞；二級減溫器北側(cè)內(nèi)套筒焊縫處的裂紋問題明顯；南側(cè)內(nèi)套筒處焊縫處同樣伴隨著裂紋現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對故障部位的全面檢查后發(fā)現(xiàn)，二級減溫器南北側(cè)內(nèi)套管焊縫裂紋更為明顯，北側(cè)內(nèi)套筒縮頸處存在焊縫擴(kuò)展情況。

3.2 直接原因分析

根據(jù)該工業(yè)企業(yè)中鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行情況，CFB 鍋爐二級減溫器處的運(yùn)行情況如下：減溫水溫度和蒸汽管溫度分別為205 ℃、480 ℃，根據(jù)現(xiàn)場的全面檢查，內(nèi)套筒水室出口側(cè)焊縫處存在著一定的裂紋分布，該部位的裂紋與集箱裂紋的方向基本相同。由此基本上可以判定，集箱裂縫的直接原因?yàn)閮?nèi)筒孔洞與焊縫裂紋缺陷所致。當(dāng)這一問題出現(xiàn)以后，內(nèi)筒對集箱的保護(hù)功能喪失，沒有被完全汽化的減溫水和蒸汽充分混合以后，所形成的混合物會(huì)直接送達(dá)集箱內(nèi)壁。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，對于壁厚為40 mm 的鋼材，當(dāng)溫度變化為0.9 ℃/s 的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外壁出現(xiàn)50 ℃左右的溫度差異，正是這種溫度差異使得在該部位沒有被充分汽化的減溫水一旦接觸到了集箱內(nèi)部，交變溫度應(yīng)力的反復(fù)作用引起裂紋的出現(xiàn)。對內(nèi)套筒裂紋而言，噴口處于頻繁的噴水減溫條件下，熱交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力集中部位可能會(huì)引起熱疲勞裂紋。

根據(jù)鍋爐運(yùn)行現(xiàn)場的工況條件分析，CFB 鍋爐長時(shí)間保持在低負(fù)荷工況條件下，這一運(yùn)行工況時(shí)的二級減溫水可能維持一段時(shí)間的噴水或者停止噴水過程中。結(jié)合鍋爐運(yùn)行情況，當(dāng)鍋爐負(fù)荷處于230 t/h 以內(nèi)的狀態(tài)下，二級減溫水不投入使用就可，一旦鍋爐運(yùn)行負(fù)荷超出了280 t/h 限值，二級減溫水將長期投入使用。3#CFB 鍋爐在投入使用以后，2#鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷長期保持在240～270 t/h，尤其是在1～9 月，2#鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷為256 t/h，平均減水溫量達(dá)到了0.99 t/h，當(dāng)鍋爐處于吹灰條件下時(shí)，減溫水調(diào)節(jié)閥處于自動(dòng)控制的條件下，對減溫水的調(diào)整和投切相對頻繁，當(dāng)處于低減溫水流量的情況下，減溫器的霧化效果難以保障，也就增加了二級減溫器的熱疲勞裂紋故障概率。

減溫器裂紋故障也可能是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷、安裝問題所引起的，根據(jù)專業(yè)人員拍攝的現(xiàn)場實(shí)物照片，發(fā)現(xiàn)在減溫器內(nèi)部熱交變應(yīng)力作用下的破壞從應(yīng)力集中部位開始。北側(cè)二級減溫器內(nèi)套管外壁固定支撐點(diǎn)處的磨損問題非常嚴(yán)重，在制造廠安裝的過程中，固定支撐點(diǎn)的打磨量超出了正常標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致集箱與內(nèi)筒之間的間隙過大，當(dāng)在嚴(yán)重的汽流激振作用下，內(nèi)筒混合段筒體存在高頻抖動(dòng)的問題，這一問題加劇了相關(guān)部位零部件的機(jī)械疲勞裂紋產(chǎn)生。當(dāng)然，在這一條件下，環(huán)形噴嘴和文丘里管設(shè)計(jì)存在一定的設(shè)計(jì)缺陷和漏洞，因?yàn)樵阱仩t運(yùn)行的過程中，噴入水和氣流呈現(xiàn)出相互垂直的狀態(tài)，且二者之間的距離比較短，當(dāng)內(nèi)套管中出現(xiàn)了裂紋以后，減溫水可能會(huì)與外管壁直接接觸，引起外部管線的損傷和破壞。

3.3 可能原因分析

二級減溫器內(nèi)套筒環(huán)形焊縫位置處，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)的過程中并未嚴(yán)格要求100%焊縫的RT 檢查，僅僅要求做100%PT 檢測，因此，北側(cè)二級減溫器內(nèi)套筒縮頸處的裂紋，可能是由于焊接工藝應(yīng)用不當(dāng)所引起的。

3.4 管理原因分析

管理因素同樣是引起CFB 鍋爐二級減溫器裂紋故障的重要原因，相關(guān)管理機(jī)構(gòu)在鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，并未及時(shí)評估鍋爐處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下時(shí)對于二級減溫器造成的直接影響，在后續(xù)檢修維護(hù)的過程中，并未做好對二級減溫器的檢查，對裂紋故障的發(fā)現(xiàn)和處理不夠及時(shí)。

根據(jù)上述分析，該CFB 鍋爐裂紋是由于二級減溫器內(nèi)套管設(shè)計(jì)缺陷引起的，當(dāng)然還有很多方面的原因，CFB 鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行工況條件下有著對應(yīng)的二級減溫器內(nèi)套管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)存在設(shè)計(jì)缺陷的情況下，裂紋發(fā)生概率較高。減溫器內(nèi)套管長期受到冷熱交變應(yīng)力的作用，導(dǎo)致在文丘里縮頸處環(huán)形焊縫部位出現(xiàn)了明顯的開裂。

4 裂紋故障處理

（1）根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行工況要求，對減溫減壓器加以適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，條件允許的情況下改變部分材料材質(zhì)和內(nèi)套筒的固定，盡量使內(nèi)外套筒的材料一致。

（2）2#鍋爐已更換減溫器內(nèi)套筒材料，往往僅能夠維持3～6個(gè)月的運(yùn)行周期。1#鍋爐的投運(yùn)周期雖然較長，但是其整個(gè)的運(yùn)行工況與2#鍋爐運(yùn)行有著極高的相似度，在這一運(yùn)行條件下，可能存在內(nèi)套筒甚至集箱損壞的情況，在未完全更換減溫器之前，鍋爐系統(tǒng)存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了適當(dāng)延長1#、2#鍋爐的運(yùn)行周期，可以在鍋爐系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，適當(dāng)進(jìn)行3 臺鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷分配。當(dāng)3#鍋爐運(yùn)行負(fù)荷在330～370 t/h 之間時(shí)，運(yùn)行負(fù)荷調(diào)整要以3#鍋爐作為基礎(chǔ)，將1#、2#鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷保持在220～240 t/h 的穩(wěn)定負(fù)荷條件下；當(dāng)3#鍋爐運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到了370 t/h 甚至更高的條件下時(shí)，如果依舊難以達(dá)到鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行要求，適當(dāng)提高2#鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，降低3#鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷。

（3）做好日常的鍋爐檢修與維護(hù)。在3#鍋爐的檢修中，保持其他兩個(gè)鍋爐的高負(fù)荷運(yùn)行工況條件，使得二級減溫水可以連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)鍋爐總體負(fù)荷在800 t/h 以內(nèi)時(shí)，對1#、2#鍋爐的二級減溫器運(yùn)行條件加以適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

（4）在1#、2#鍋爐處于吹灰階段時(shí)，為降低裂紋的出現(xiàn)概率，要適當(dāng)降低其運(yùn)行負(fù)荷且避免二級減溫水的投運(yùn)。一旦外部的用汽負(fù)荷在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了很大的波動(dòng)，要首先滿足系統(tǒng)平衡運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，總體工況處于穩(wěn)定狀態(tài)后方可進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

（5）因?yàn)殄仩t系統(tǒng)運(yùn)行的過程中會(huì)受到DCS 自控系統(tǒng)的干擾，生產(chǎn)負(fù)荷不滿足減溫水投自動(dòng)的狀態(tài)下時(shí)，1#、2#鍋爐二級減溫水調(diào)節(jié)閥最好選用手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式。

（6）不斷完善對二級減溫器的巡查處理，不斷針對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行工況對二級減溫器做好日常的巡查和檢修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中潛在的裂紋故障并加以處理，避免裂紋的擴(kuò)展。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，CFB 鍋爐系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，二級減溫器是這一鍋爐系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成，但該部件運(yùn)行中的裂紋故障較為常見，影響了系統(tǒng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，企業(yè)在實(shí)際的生產(chǎn)中，要針對二級減溫器的裂紋類型和原因，采取針對性的措施，最大程度上保障CFB 鍋爐的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。