循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器典型故障分析及處理

張子明

（國(guó)家能源集團(tuán)開遠(yuǎn)發(fā)電有限公司，云南 開遠(yuǎn) 661600）

我國(guó)的三大鍋爐廠（東鍋、 哈鍋和上鍋）2003 年共同引進(jìn)法國(guó)Alstom 公司200 ～350 MW等級(jí)循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)，采用該技術(shù)，東鍋設(shè)計(jì)制造了秦皇島三期工程2 臺(tái)燃用貧煤的300 MW CFB 鍋爐，于2006 年11 月投入運(yùn)行；哈鍋設(shè)計(jì)制造了云南開遠(yuǎn)電廠2 臺(tái)燃用褐煤的300 MW CFB 鍋爐，于2006 年6 月投入運(yùn)行；上鍋設(shè)計(jì)制造云南小龍?zhí)峨姀S三期2 臺(tái)燃用褐煤的300 M W CFB鍋爐，于2007 年1 月投產(chǎn)。這一批300 MW級(jí)的亞臨界CFB 鍋爐采用的是同一種技術(shù)，均設(shè)計(jì)有外置式換熱器。機(jī)組投入運(yùn)行后，由于外置式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)、制造、安裝技術(shù)要求高，加之我國(guó)各鍋爐制造廠對(duì)相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)重視不夠，導(dǎo)致在鍋爐投產(chǎn)后外置式換熱器運(yùn)行故障頻繁，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 外置式換熱器結(jié)構(gòu)及工作原理

300MW 級(jí)引進(jìn)型亞臨界循環(huán)流化床鍋爐共設(shè)計(jì)有4 臺(tái)外置式換熱器，鍋爐前墻左右各一臺(tái)多倉(cāng)式換熱器，分別在倉(cāng)內(nèi)布置高溫再熱器管和低溫過(guò)熱器管，在空倉(cāng)室、高溫再熱器管、低溫過(guò)熱器管之間用耐磨耐溫材料澆筑兩道隔墻；鍋爐后墻左右各布置一臺(tái)多倉(cāng)式換熱器，分別在倉(cāng)內(nèi)布置中溫過(guò)熱器Ⅰ和中溫過(guò)熱器Ⅱ，在空倉(cāng)室和中溫過(guò)熱器管之間用耐磨耐溫材料澆筑有一道隔墻。如圖1。

圖1 外置式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 外置式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

外置式換熱器內(nèi)的換熱管被彎制成蛇形狀，多根換熱管并列組合成管屏，用換熱管或?qū)嵭镜鯒U懸空懸吊于外置式換熱器頂部殼體。如圖2。換熱管內(nèi)流通再熱蒸汽和過(guò)熱蒸汽，換熱管外部被堆積的細(xì)顆粒床料和由分離器分離下來(lái)的高溫灰完全堆埋。換熱器底部布置有流化風(fēng)帽，流化風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)帽后吹入換熱器底部吹動(dòng)床料、高溫灰作上下鼓泡運(yùn)動(dòng)，床料、高溫灰與換熱管形成強(qiáng)烈相對(duì)運(yùn)動(dòng)，外置式換熱器本質(zhì)上是一個(gè)低速鼓泡床，流化風(fēng)速一般小于 0.5m/s，通常在 0.3~0.5m/s 間變化。

2 外置式換熱器典型故障及原因分析

2.1 蛇形換熱管管卡固定功能失效

外置式換熱器內(nèi)部蛇形換熱管管屏用懸吊管懸空懸吊于換熱器頂部，床料、高溫循環(huán)灰被流化風(fēng)吹動(dòng)做上下鼓泡運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)動(dòng)能傳遞到被床料、高溫循環(huán)灰堆埋的換熱管管屏后造成管屏發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，由于垂直安裝的懸吊管（懸吊桿）運(yùn)動(dòng)幅度小，而水平安裝的蛇形管尺寸長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)幅度大，導(dǎo)致用來(lái)連接懸吊管（懸吊桿）和蛇形管的“蝴蝶管卡”（圖3）承受了較大應(yīng)力，在高溫環(huán)境中蝴蝶管卡與半圓板之間的焊縫容易開裂使半圓板喪失對(duì)蛇形管的固定功能，蛇形換熱管失去約束而振動(dòng)位移增大，與蝴蝶管卡相互碰磨導(dǎo)致?lián)Q熱管管壁減薄泄漏。如圖4 中箭頭所示部位即為半圓板與蝴蝶管卡焊縫裂開后半圓板失去對(duì)蛇形管的固定，導(dǎo)致蛇形管移位與蝴蝶管卡發(fā)生碰磨。

圖3 蝴蝶管卡結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 蝴蝶管卡半圓板脫落

2.2 耐磨耐溫澆注料脫落

外置式換熱器為了抗磨和保溫，在金屬外殼內(nèi)部安裝了耐磨耐溫澆注料。由于換熱器運(yùn)行中溫度高、空間內(nèi)細(xì)顆粒濃度大，高溫細(xì)顆粒對(duì)耐磨耐溫澆注料的沖刷磨損和撞擊磨損很嚴(yán)重。同時(shí)換熱器溫度場(chǎng)隨著鍋爐負(fù)荷和燃料變化相應(yīng)變化，導(dǎo)致澆注料頻繁膨脹、收縮，極易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致澆注料脫落。目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐的外置式換熱器，均發(fā)生過(guò)不同程度的澆注料脫落。

某公司300MW 機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐2019 年11 月26日8 號(hào)機(jī)組運(yùn)行中外置式換熱器發(fā)生高溫再熱蒸汽管泄漏，緊急停爐后檢查發(fā)現(xiàn)81 號(hào)外置式換熱器頂部耐磨耐溫澆注料有1.4×5m2 的區(qū)域發(fā)生崩塌，殼體頂部鋼板有1×5m2 發(fā)生碳化彎曲變形，重約5 噸的澆注料跌落到高溫再熱蒸汽管上，砸壞了蒸汽管導(dǎo)致泄漏，見圖5。

圖5 外置式換熱器頂部澆注料脫落

故障原因分析：鍋爐安裝時(shí)，為了解決耐磨耐溫澆注料受熱膨脹問(wèn)題，采用分塊澆筑的施工工藝，即澆注料塊與塊之間留有1-2cm 的膨脹縫，該膨脹縫在長(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)程中，密封性逐步降低，高溫?zé)煔獯┻^(guò)膨脹縫后對(duì)澆注料背面的爪釘及金屬頂板形成高溫烘烤，導(dǎo)致金屬頂板碳化，爪釘斷裂，澆注料坍塌；由于爪釘為Φ8不銹鋼圓鋼彎制而成，爪釘根部折角較小，彎制過(guò)程中會(huì)在折角處形成壓力集中。爪釘在高溫?zé)煔獾拈L(zhǎng)期烘烤下強(qiáng)度降低，最終不能承受耐磨耐溫澆注料重量而在壓力集中的折角處發(fā)生斷裂。本次脫落區(qū)域的澆注料爪釘大部分是從爪釘根部折角處斷裂。

3 外置式換熱器典型故障處理

3.1 蛇形換熱管管卡固定功能失效

蝴蝶管卡和半圓板的使用狀況對(duì)維持外置式換熱器的安全運(yùn)行十分重要，必須堅(jiān)持逢停必檢，發(fā)現(xiàn)蝴蝶管卡和半圓板損壞要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或更換，防止由于管卡固定功能失效而導(dǎo)致水平蛇形換熱管運(yùn)行中振動(dòng)幅度過(guò)大與其他換熱管、管卡發(fā)生碰磨。由于每一根懸吊管（懸吊桿）對(duì)應(yīng)兩組水平蛇形換熱管，在相鄰的兩個(gè)懸吊管（懸吊桿）固定的水平蛇形換熱管之間的縫隙間，用墊板塞緊水平蛇形換熱管，當(dāng)半圓板和蝴蝶管卡損壞，固定功能失效時(shí)能有效限制水平蛇形換熱管的振動(dòng)幅度，防止水平蛇形換熱管相互之間發(fā)生碰磨或與蝴蝶管卡發(fā)生碰磨，導(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏。安裝墊板時(shí)，在水平蛇形管上與墊板相對(duì)應(yīng)的位置安裝防磨瓦保護(hù)換熱管，防止墊板與水平蛇形換熱管直接碰磨導(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏。墊板的安裝位置和結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

3.2 耐磨耐溫澆注料脫落

外置式換熱器殼體耐磨耐溫澆注料的脫落是一個(gè)逐漸發(fā)展的長(zhǎng)期過(guò)程，在此過(guò)程中通常表現(xiàn)為換熱器殼體故障部位運(yùn)行溫度逐漸升高。日常運(yùn)行中要建立殼體重點(diǎn)部位的溫度監(jiān)測(cè)檔案，發(fā)現(xiàn)超溫要及時(shí)報(bào)告，并對(duì)超溫部位進(jìn)行持續(xù)跟蹤測(cè)溫。待機(jī)組停運(yùn)檢修時(shí)，拆除超溫部位的外部保溫材料，對(duì)殼體金屬材料變形、碳化情況進(jìn)行檢查。

當(dāng)需要進(jìn)行耐磨耐溫澆注料更換時(shí)，應(yīng)把常規(guī)澆注料施工工藝由分塊澆筑改為整體澆筑，避免由于分塊澆筑時(shí)所預(yù)留的膨脹縫漏高溫?zé)煔鈱?dǎo)致高溫?zé)煔鈱?duì)爪釘和換熱器殼體進(jìn)行烘烤；同時(shí)應(yīng)把澆注料爪釘由原來(lái)的多折角圓鋼型爪釘改為一次成型扁鋼型爪釘，解決折角處應(yīng)力集中及爪釘根部焊接面過(guò)小的問(wèn)題。如圖7 所示。

圖6 墊板結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 爪丁改進(jìn)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

蛇形換熱管管卡固定功能失效和耐磨耐溫澆注料脫落是循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器的典型故障。而經(jīng)過(guò)發(fā)電企業(yè)在實(shí)際工作中的探索，采用以下兩方面的處置措施后，能有效解決外置式換熱器的典型故障。

一方面，通過(guò)加強(qiáng)設(shè)備檢修管理，在故障早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障源并進(jìn)行有效處置避免故障擴(kuò)大；另一方面，通過(guò)完善設(shè)備安裝工藝來(lái)提高設(shè)備使用壽命：①對(duì)蛇形換熱管固定工藝進(jìn)行改進(jìn)，可有效避免由于蛇形換熱管管卡固定功能失效導(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏；②對(duì)耐磨耐溫澆注料的施工工藝和爪釘結(jié)構(gòu)進(jìn)行革新，可避免耐磨耐溫澆注料的脫落。