供熱鍋爐蒸汽管網(wǎng)安全運行分析與實證研究

康在龍，單晶晶

（1.青島能源集團有限公司，山東青島 266071；2.青島恒源熱電有限公司，山東青島 266510）

0 引言

2016 年8 月11 日，湖北當陽馬店矸石發(fā)電公司熱電聯(lián)產(chǎn)項目在試運行階段，因2#鍋爐高壓主蒸汽管道上的“一體焊接長徑噴嘴”焊縫裂爆，導致高壓主蒸汽管道斷裂，發(fā)生重大蒸汽管道爆管，事故造成22 人死亡，4 人重傷。2017 年12 月23日，嘉興市富欣熱電公司鍋爐操作不當發(fā)生蒸汽管道爆裂，主廠房1#鍋爐主蒸汽管道至減溫減壓站支管處發(fā)生爆裂，事故造成5 人死亡，另有4 人受傷。兩起事故分別為近年來國內(nèi)傷亡人數(shù)較多的特種設備作業(yè)爆管事故，給人民群眾的生命、財產(chǎn)造成了重大損失。隨著煤改氣技術在熱電聯(lián)產(chǎn)領域內(nèi)的創(chuàng)新性推廣，新一輪的改造鍋爐數(shù)量會不斷增加，高指標參數(shù)的蒸汽管道應用也越來越廣，其在生產(chǎn)、制造過程中的作業(yè)規(guī)范也備受關注和重視。

1 國內(nèi)熱電廠鍋爐蒸汽管道事故概況

1.1 鍋爐蒸汽管道爆管事故主要原因

從上述爆管事故視角來分析，在鍋爐安全事故中蒸汽管網(wǎng)爆管的危害性較為嚴重。查閱1992—2018 年國內(nèi)外鍋爐爆管事故案例，對爆管原因進行多元歸類、匯總和分析（圖1）。

本次統(tǒng)計源選取案例數(shù)據(jù)資料有限，所做的統(tǒng)計分析帶有一定片面性，但對現(xiàn)實工作指導具有較強借鑒意義。從圖1 可以看出，管道焊接及熱處理因素是導致蒸汽管網(wǎng)爆管的首要影響因子，其次為材料因素，再次為超服務年限，上述3 個因素占到爆管比例的75%以上。

圖1 鍋爐蒸汽管網(wǎng)爆管主要原因分析

1.2 近年來國內(nèi)鍋爐蒸汽管道爆管的共性問題

（1）蒸汽管道爆管事故根源多發(fā)生在生產(chǎn)制造階段，尤其是在設計、制造和安裝環(huán)節(jié)。以2015 年以來鍋爐蒸汽管道爆管發(fā)生的兩起重大事故為例，進行分析。

當陽馬店矸石發(fā)電公司熱電聯(lián)產(chǎn)項目事故的直接原因：2#鍋爐高壓主蒸汽管道上安裝的噴嘴屬于劣質(zhì)產(chǎn)品，質(zhì)量嚴重不合格，高溫高壓下導致焊縫出現(xiàn)擴展性開裂，高溫高壓蒸汽井噴式泄漏，造成事故隱患。事故原因：首先是采購、供應的事故噴嘴屬于偽劣產(chǎn)品，質(zhì)量極其差，嚴重不合格，不符合規(guī)范要求；其次是企業(yè)應急處置能力較差，事故隱患形成時，企業(yè)相關人員未及時預警并迅速采取有效措施，消除隱患；其次是生產(chǎn)廠房設計不合理規(guī)范要求，間隔距離遠低于標準要求，且未對集控室采取一級防護措施；最后是主蒸汽管道監(jiān)控、檢測和檢修不到位，未按照標準規(guī)范要求來組織開展，監(jiān)管不到位，管理失衡。

嘉興富欣熱電公司發(fā)生蒸汽管道爆裂事故，高溫高壓蒸汽沖擊控制室，造成5 人死亡。根據(jù)熱力管線設計規(guī)范要求，高溫高壓蒸汽管道材料應為事故原因分析按照設計要求，而事故管段材料應為耐高溫持久強度的12Cr1-2MoVG 合金鋼，使用溫度高達580 ℃，設計溫度為540 ℃。對事故現(xiàn)場的管道爆裂出斷裂破片進行材料檢測，事故所用的管道材料耐溫僅為420 ℃，遠未達到設計規(guī)范的基本要求。

（2）絕大多數(shù)高溫高壓蒸汽管道爆管事故發(fā)生在集控室周圍。高溫高壓的蒸汽爆裂后形成巨大的沖擊波，爆裂集控室，導致墻體、玻璃、融化及坍塌，造成集控室內(nèi)的運行人員重大傷亡。從這個角度去分析，集控室的設計存在3 個基本缺陷：①安全距離不符合規(guī)范要求；②未對集控室進行一級防護，具備基本的抗高壓、抗高溫和抗沖擊；③集控室要具備基本的防火、防爆功能。

2 主蒸汽管道安全管理方面存在的問題

隨著熱電鍋爐的高參數(shù)、高指標、高壓力，蒸汽管道從低參數(shù)值迅速過度到高參數(shù)值，尤其是出現(xiàn)累計運行時間大于15 萬小時的“超齡服役”的老城區(qū)蒸汽管道，此部分在生產(chǎn)運行過程中存在的安全管理問題日漸突出。

2.1 標準規(guī)范在設計方面缺乏針對性的指導

（1）當前對主蒸汽管道與建筑物的設置暫無強制性明文規(guī)定，建議“管道應架空，沿墻或柱敷設”。有關管道與建筑物之間距離的規(guī)定，主要是為了方便操作和維護并注意節(jié)省空間，不涉及管道爆炸的危害控制。根據(jù)對當?shù)鼗痣娖髽I(yè)的調(diào)查，在控制室周圍布置主蒸汽管是常見現(xiàn)象，汽輪機正對控制室門窗，間距基本為5～6 m。主蒸汽管道通過門窗的情況也很常見。類似情況在我國其他火電企業(yè)中也很常見。

（2）我國現(xiàn)行建筑規(guī)范只涉及消防設計規(guī)范，暫無明文的建筑結構國家防爆防火標準。目前，只有2009 年頒布的《石油化工控制室防爆設計規(guī)范》要求對石油化工控制室進行防爆設計，適合新建石油化工控制室的防爆設計，其他建筑結構未提供相應的國家防爆標準。

2.2 管理空白

大部分火電廠在金屬監(jiān)督管理方面存在空白，雖然金屬監(jiān)督管理受到火電公司的高度重視，《鍋爐定期檢查規(guī)程》也提出了《金屬技術監(jiān)督系統(tǒng)檢查》。不過，火電公司金屬監(jiān)管管理的實施并不理想，大多數(shù)發(fā)電企業(yè)并沒有建立金屬監(jiān)管制度，也沒有金屬監(jiān)管人員。

2.3 目錄存在盲點

《特種設備目錄》主蒸汽管道監(jiān)督實施過程中存在盲點。自中國實現(xiàn)了特種設備目錄管理，這意味著對目錄中所列的設備不像特種設備的監(jiān)督，從而導致盲點在主蒸汽管道的安全監(jiān)察，如蒸汽流量計和其他組件不列入特種設備目錄。由于在制造過程中缺乏相應的監(jiān)督，元器件的質(zhì)量無法得到有效保證，存在安全隱患。

2.4 規(guī)范要求缺乏

對主蒸汽管道的定期檢查是困難的。主蒸汽管廣泛用于火力發(fā)電機組主蒸汽管的切換。但長期運行后，導致閥無法關閉，存在交流氣體問題。單臺鍋爐停機冷卻后，鍋爐主蒸汽管溫度仍在70 ℃以上，致使大部分檢查項目無法正常運行。此外，主蒸汽管道作為主管道，累計運行時間最長，存在著較大的安全隱患。但是，除非機組全部關閉，否則當前的技術發(fā)展水平遠達不到檢測檢修基本條件。

3 實證分析研究

某電廠因焊接質(zhì)量不佳使其熱影響區(qū)產(chǎn)生延遲裂紋，從而在服役過程中發(fā)生開裂。管件沒有變形和脹粗，多數(shù)與彎頭主管銜接口的絎縫焊接會發(fā)生爆裂。外表面、內(nèi)表面的裂紋分別長約220 mm、320 mm，但與外表面裂紋相比，內(nèi)表面裂紋更粗更長。宏觀檢查的結果表明，蒸汽管道內(nèi)側面的裂紋較粗、深，且裂紋多數(shù)源自于焊縫的底部深處，尤其是隨著運行年限及氣溫、環(huán)境等外部條件的影響，縫隙逐漸開始擴散。

檢查結果表明，該裂紋位于焊接接頭熱影響區(qū)，沿熱影響區(qū)細晶組織和彎頭母材粗晶組織的交界面擴展，裂紋呈斷續(xù)狀，該裂紋具有焊接延遲裂紋的特征。由于細晶組織和粗晶組織的晶粒度反差巨大，這兩種組織的結合面成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。如果焊接質(zhì)量不佳、存在較大的殘余應力，則在該部位會存在較大的應力集中并產(chǎn)生裂紋。

可采取的措施有焊后回火處理。焊縫出現(xiàn)裂紋時，相關焊工不得盲目、擅自進行作業(yè)處理，首先應該向技術總管進行匯報，深入剖析原因，以免隱患被局部掩蓋、釀造更大的事故，制定修復措施及可行性方案。另外，焊工技術人員應嚴格按照焊接作業(yè)規(guī)程及工藝進行操作，如及時清理焊接現(xiàn)場殘留的碎屑及氧化鐵等雜質(zhì)。

4 總結建議與展望

4.1 嚴控設計質(zhì)量

良好的設計是保證工程安全的基礎，尤其對于高溫高壓管道要嚴格執(zhí)行設計規(guī)范的相關規(guī)定，選擇準確的設計參數(shù)，在此基礎上做好管材的選擇、管道的布置、管道應力計算、支吊架的設置等相關工作。鍋爐蒸汽管道設計標準和規(guī)范應提高防爆的要求，無論鍋爐房設計的代碼參數(shù)GB 50041—2020《鍋爐房設計規(guī)范》或GB 50016—2014《建筑防火設計規(guī)范》，高參數(shù)蒸汽管的設計要求應有所改善，尤其是在控制和防爆炸方面的距離。設計過程中的防控措施應該從以下3 個方面進行：降低柱塞流和水錘現(xiàn)象的發(fā)生，增加了Anti-destructive 系統(tǒng)的能力和開展協(xié)作優(yōu)化設計方案的蒸汽和冷凝管網(wǎng)絡的設計管理，特別涉及流程系統(tǒng)，管道材料和壓力，管道、結構、設計管理及其他專業(yè)的設計單位。

以華北院的設計為例，高溫高壓管道采用CAESARII、GLIF、PIPENET 等業(yè)內(nèi)認可的應力計算工具進行靜態(tài)和動態(tài)應力校驗，從而能夠做出準確的應力分析，保證管道的受力安全。同時采用三維設計，做好管道和支吊架的布置工作，在設計階段及早的發(fā)現(xiàn)碰撞，減少現(xiàn)場可能出現(xiàn)的修改。

4.2 保證材料質(zhì)量

高溫高壓管道工作參數(shù)較高，對管材及管件的質(zhì)量要求就比較嚴格。如果管材及管件在廠家生產(chǎn)過程中有紕漏，管材及管件出現(xiàn)沙眼、熱處理不當?shù)热毕莺?，就會導致材料應力不合格，從而容易引起事故。所以管材及管件質(zhì)量必須控制，以保證材料性能。

應根據(jù)沖擊波負荷度，對蒸汽管道材料和抗壓度進行選擇。同時，據(jù)此計算管道材料的硬度和剛度，來確定管道直徑及壁厚。雙相對流的蒸汽管道不應選擇鑄鐵材料，因起抗沖擊負荷力差，建議優(yōu)先選用抗壓、抗沖擊性能好的閥門器材。

4.3 保證現(xiàn)場施工質(zhì)量

施工質(zhì)量是保證整個工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，對于高溫高壓管道，首先在現(xiàn)場要做好管材的檢驗，對現(xiàn)場到貨的所有管材及管件均應在施工前做好質(zhì)量檢驗。現(xiàn)場的焊接質(zhì)量直接決定高溫高壓管道的安全，高溫高壓管道的每一道焊縫必須做好檢驗。同時在施工中要注意與設計圖紙的一致性，保證施工質(zhì)量。

4.4 加強運行監(jiān)測

（1）高度重視金屬類技術檢測及監(jiān)督工作。建立健全金屬類檢測監(jiān)督評估機制，熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)應參照國家發(fā)電廠金屬類檢測監(jiān)督技術標準，建立一套適合企業(yè)內(nèi)部的檢測監(jiān)督體系，來規(guī)范和監(jiān)督所在企業(yè)甄選金屬類材料產(chǎn)品。使金屬監(jiān)督人員，以保證金屬類檢測評估的有效實施，并建立健全金屬類檢測檢驗評估臺賬和規(guī)范化體系。管道檢驗檢測機構必須根據(jù)技術監(jiān)督規(guī)范標準，在檢測過程中對企業(yè)的金屬技術使用情況進行督查和監(jiān)管，并出具規(guī)范的整治要求。

（2）規(guī)范管線設計。良好的設計和施工都是為運行服務，反過來，運行過程中必須按照設計參數(shù)的要求來運行，在運行過程中必須加強監(jiān)測，避免超溫超壓運行，定期要做好金屬和焊縫以及支吊架的監(jiān)測工作，對于異?，F(xiàn)象做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，杜絕一切可能的隱患。

4.5 進一步加強主蒸汽管道的安裝質(zhì)量把控

（1）履行企業(yè)的主要責任，加強自購件的驗收，特別是流量計等不包括在監(jiān)督范圍內(nèi)的管道部件。用戶單位應對管道材料的真實性、一致性和所取得的材料質(zhì)量證書負責，并注意合金材料的復檢。

（2）安裝、變換及維護單元為了確保安裝品質(zhì)，必須嚴格實施與品質(zhì)保證系統(tǒng)相關的規(guī)格和規(guī)格要求，注意材料和焊接。管道材料將根據(jù)相關規(guī)定進行檢查并接受。資材的保管和使用的管理系統(tǒng)，為了資材管理必須確立。合金材料在切割之前需要標記并轉(zhuǎn)印。焊接必須嚴格按照規(guī)格及規(guī)格要求進行。焊工的焊接能力和水平可以評估在焊接之前，和焊后熱處理的監(jiān)督管理、檢驗和檢測的焊接接頭、銜接口應當技術化、專業(yè)化加強，以確保相關工作有序進行。未進行水壓試驗的高溫高壓蒸汽管線，則應在運行前根據(jù)標準和規(guī)范進行水壓試驗。

（3）監(jiān)督檢查過程中，監(jiān)管機構應嚴格執(zhí)行標準和有關規(guī)定，加強現(xiàn)場監(jiān)督檢查，注意過程監(jiān)督，不斷優(yōu)化和完善監(jiān)督檢查工作，根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，完善監(jiān)督檢查流程。及時、動態(tài)調(diào)整。從質(zhì)量取樣的角度來看，應重視包括母材和焊縫在內(nèi)的焊接接頭的光譜分析，主要對管件的焊接接頭進行檢測，特別是現(xiàn)場焊管接頭。焊縫的無損檢驗和X 射線膠片的隨機檢驗要有針對性。取樣底片必須盡可能覆蓋所有類型的管道和所有的焊縫。請注意非液壓試驗管段的焊接質(zhì)量，檢查豁免條件是否符合要求。注意熱處理現(xiàn)場測試，確認熱處理設備及工藝實施是否符合要求，加強熱處理后的硬度測試。從系統(tǒng)測試的角度來看，必須注意相關系統(tǒng)文件的及時性，特別是與流程文件相關的記錄。通過現(xiàn)場驗證和質(zhì)量驗證的抽查，檢查工藝文件的合理性和執(zhí)行情況。為保證有關記錄的真實性、有效性，企業(yè)相關技術人員應及時進行現(xiàn)場稽查和檢驗檢測，并進行現(xiàn)場評估。

（4）蒸汽供熱管網(wǎng)應更加注重施工安裝、運營控制、監(jiān)管維護等方面，將安全生產(chǎn)列為頭等大事。尤其是在區(qū)域集中供熱規(guī)劃設計階段，務必要通盤考慮，避免出現(xiàn)管道側壓驟集增壓或集中爆點等不利因素。

通過對蒸汽管網(wǎng)安全隱患的分析，可以創(chuàng)新性提出，提前在管壓驟升前增加壓力釋放設備裝置，以保證管道壓力的平衡。諸多生產(chǎn)運行實踐證明，這是開發(fā)區(qū)域供熱管網(wǎng)運行的一種有效措施。因此，建議相關熱力企業(yè)可將其運用至高溫高壓蒸汽管網(wǎng)布局中。