火電廠鍋爐受熱面失效原因及防治措施

摘?要：受熱面是鍋爐熱能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵構(gòu)成部分，設(shè)備運(yùn)作情況是與鍋爐運(yùn)作安全以及穩(wěn)定程度具有直接聯(lián)系的。本文主要分析了火電廠鍋爐受熱面失效的原因，再針對(duì)各項(xiàng)原因一一提出對(duì)應(yīng)的防治方案，以期為火電廠鍋爐安全、持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

關(guān)鍵詞：火電廠;鍋爐;受熱面;失效;原因;防治

在火電廠中，其鍋爐的受熱面管主要涵蓋了省煤器、水冷壁、過(guò)熱器以及再熱器，人們常將此四項(xiàng)稱作鍋爐“四管”。而“四管”發(fā)生泄漏問(wèn)題是導(dǎo)致火電廠異常停機(jī)最常出現(xiàn)、最為普遍的原因之一，通常來(lái)說(shuō)，在機(jī)組異常停機(jī)事故之中大約占一半以上。當(dāng)鍋爐受熱面出現(xiàn)爆管事故之后，就會(huì)給電廠的安全作業(yè)以及經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，為此，加強(qiáng)對(duì)受熱面失效原因的分析與探究具有一定必要性。

1?磨損

1.1?失效現(xiàn)象

一般發(fā)生磨損最為嚴(yán)重的區(qū)域便是省煤器煙氣入口與出口部位，特別是錯(cuò)列分布的第二和第三排管道。同時(shí)，過(guò)熱器與再熱器的煙氣入口部位彎頭，出列管道與橫向結(jié)局不均勻管道，燃燒器周圍的水冷壁管道，穿墻管樓風(fēng)口等部位也容易產(chǎn)生磨損。從物理學(xué)角度分析，磨損的性質(zhì)屬于固體粒子間的相互沖刷，主要的磨粒成分有氧化鐵、氧化硅、氧化鋁，以及飛灰中夾雜的焦炭顆粒。尤其是當(dāng)管道受熱面和飛灰沖蝕角度成30°～45°之間時(shí)，產(chǎn)生的磨損最為嚴(yán)重。而且磨損往往表面處于較為光滑的狀態(tài)，表現(xiàn)為灰色，且金屬物質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化，管徑通常也不會(huì)發(fā)生漲粗現(xiàn)象，管道受熱面由于磨損而變薄，直到發(fā)生泄漏[1]。

1.2?失效原因

燃煤鍋爐飛灰內(nèi)夾雜的高硬度顆粒沖蝕管道表部，引起磨損。煙氣內(nèi)腐蝕性較強(qiáng)的情況下，管道表部磨損與腐蝕作用會(huì)彼此促進(jìn)，導(dǎo)致惡性循環(huán)。磨損率和飛灰粒子流速的3～3.5次冪成正比例相關(guān)。當(dāng)煙氣速度達(dá)到每秒30～40米之時(shí)，磨損十分嚴(yán)重。管道局部煙氣速度太高是導(dǎo)致受熱面磨損的關(guān)鍵原因。局部結(jié)垢異常、燃燒方式所引起的煙氣流動(dòng)不均、鍋爐中存在煙氣走廊與堵灰都會(huì)導(dǎo)致局部煙氣流速太高，從而使得管卡、固定卡等發(fā)生機(jī)械磨損。

1.3?防治措施

需控制省煤器部位的平均煙氣流速不高于每秒9～10米。對(duì)于省煤器內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以合理設(shè)計(jì)，全面防范局部煙氣流速太高的問(wèn)題。例如，調(diào)整為膜式省煤器;在容易磨損的位置裝設(shè)防磨罩;在煙氣走廊部位裝設(shè)均流元件;管道噴刷防磨材料。

2?焊縫泄漏

2.1?失效現(xiàn)象和原因

焊接是火電廠鍋爐受熱面制造安裝過(guò)程中最常見(jiàn)的一道流程，經(jīng)過(guò)焊接措施把每個(gè)零部件連接為一體，并且受到各方面因素的影響容易使得焊接質(zhì)量存在缺陷，而此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致受熱面產(chǎn)生泄漏進(jìn)而釀成安全事故。焊縫缺陷主要包括下述幾種：未焊透、咬邊、夾渣、氣孔、裂縫。造成這些缺陷的主要原因在于焊接操作不夠規(guī)范合理。例如，若是對(duì)于環(huán)節(jié)材料未進(jìn)行嚴(yán)格的管理，未將其充分烘干，焊接之前未對(duì)母材表面加以清潔，就有可能引起焊接質(zhì)量缺陷;對(duì)于焊接溫度以及速度未做到嚴(yán)格把控，就極易在焊縫內(nèi)產(chǎn)生氣孔;焊接前后對(duì)于熱處理工作落實(shí)不到位，也會(huì)形成焊接裂縫;在檢修過(guò)程中若是強(qiáng)力對(duì)口，就會(huì)使得殘留應(yīng)力太高，從而在運(yùn)作期間因?yàn)榕蛎洸煌〞扯a(chǎn)生泄漏問(wèn)題。焊縫泄漏是引起受熱面失效的一項(xiàng)關(guān)鍵性因素，為此必須要強(qiáng)化對(duì)焊縫的質(zhì)量管控[2]。

2.2?防治措施

伴隨著火電廠內(nèi)機(jī)組容量的持續(xù)提高，焊縫數(shù)目也隨之增多，因此提升焊縫質(zhì)量極為重要。在焊接前應(yīng)當(dāng)做好對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)備工作，強(qiáng)化對(duì)焊材的儲(chǔ)存保管工作，選取質(zhì)量、型號(hào)適宜的焊材，且在焊接之前需要對(duì)焊材實(shí)行充分的烘干處理;提供良好的焊接施工環(huán)境，落實(shí)好防風(fēng)、防雨等工作，減輕外部因素給焊接質(zhì)量帶來(lái)的影響;保證每一位焊接工人均是持證上崗，而且具有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，能夠熟練、規(guī)范地完成各項(xiàng)焊接操作;強(qiáng)化焊后熱處理工作，避免殘留應(yīng)力給焊縫質(zhì)量帶來(lái)影響;落實(shí)好無(wú)損檢測(cè)工作，可按照具體狀況采用合適的檢測(cè)方法，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題，并加以及時(shí)解決;不得在檢修環(huán)節(jié)發(fā)生強(qiáng)力對(duì)口的行為，對(duì)具有殘留應(yīng)力的焊縫需通過(guò)合理措施加以消除。

3?短時(shí)超溫爆管

3.1?失效現(xiàn)象和原因

短時(shí)超溫爆管往往發(fā)生火災(zāi)水冷壁內(nèi)，主要形成原因是受熱不均勻，冷卻條件惡化導(dǎo)致管壁溫度驟然提高，在管壁溫度高于材料下臨界點(diǎn)之時(shí)，材料強(qiáng)度便會(huì)下降，而當(dāng)其正好處于高溫高壓的運(yùn)作環(huán)境下便會(huì)產(chǎn)生爆管。若是爐膛中動(dòng)力場(chǎng)處于不夠穩(wěn)定的狀態(tài)，火焰中心發(fā)生偏移，便會(huì)使得水冷壁局部熱負(fù)荷太高，從而產(chǎn)生短時(shí)超溫爆管的問(wèn)題;在水冷壁內(nèi)若是發(fā)生焊瘤、夾渣或是其他異物阻塞等問(wèn)題，又或者是管中結(jié)垢太過(guò)嚴(yán)重，均會(huì)使得管中汽水無(wú)法順暢循環(huán)，當(dāng)汽水分配不均勻之時(shí)便會(huì)產(chǎn)生短時(shí)超溫爆管的問(wèn)題，鍋爐內(nèi)重度缺水也是導(dǎo)致短時(shí)超溫爆管的一項(xiàng)常見(jiàn)原因。在爆口部位會(huì)出現(xiàn)明顯的塑性變形，同時(shí)管徑漲大、管壁變薄，在辨別原因時(shí)可按照管中超溫面積、數(shù)目以及位置加以確定[3]。

3.2?防治措施

改進(jìn)調(diào)節(jié)鍋爐受熱面結(jié)構(gòu)，保證介質(zhì)可以均勻流暢分布運(yùn)作;優(yōu)化鍋爐內(nèi)燃燒情況?；趯?duì)煤粉質(zhì)量、送風(fēng)參數(shù)管控等方法，改進(jìn)火電廠鍋爐運(yùn)作情況，避免發(fā)生火焰偏移或是貼墻等問(wèn)題;強(qiáng)化對(duì)管道中異物的清理，定期核查受熱面下彎頭部位是否存在異物或是氧化皮等沉積物堆積情況，若有發(fā)現(xiàn)需立刻清理;及時(shí)核查鍋爐內(nèi)的供水狀況，確保受熱面具有充足且穩(wěn)定的冷卻水供應(yīng);在鍋爐運(yùn)作期間，強(qiáng)化對(duì)受熱面管壁溫度與鍋爐中燃燒狀況的檢查，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的第一時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止受熱面由于短時(shí)超溫而引發(fā)爆管問(wèn)題。

4?長(zhǎng)時(shí)超溫爆管

4.1?失效現(xiàn)象和原因

按照鍋爐使用途徑與運(yùn)作環(huán)境，在進(jìn)行受熱面設(shè)計(jì)之時(shí)需要選取合適的材料，而且要設(shè)計(jì)好鍋爐運(yùn)作的每項(xiàng)參數(shù)，從而保證鍋爐受熱面運(yùn)作的安全性與使用年限。若是在實(shí)際運(yùn)作期間受熱面管壁溫度長(zhǎng)時(shí)間是高于設(shè)計(jì)溫度，便會(huì)導(dǎo)致受熱面材料力學(xué)性能下降，進(jìn)而出現(xiàn)蠕變破裂，不但會(huì)縮短受熱面使用年限，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鍋爐無(wú)法安全、穩(wěn)定的運(yùn)作。受熱面長(zhǎng)時(shí)間超溫爆管，多是因?yàn)殚L(zhǎng)期處在管材可容許溫度范圍內(nèi)運(yùn)作，使得管壁產(chǎn)生氧化應(yīng)力裂縫。高溫腐蝕通常是高溫后積灰產(chǎn)生的內(nèi)灰層中含有堿金屬，其與煙氣內(nèi)含有的二氧化硫發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生復(fù)合硫酸鹽，以熔化或者是半熔化的狀態(tài)凝聚在管道中，使得管壁表部氧化膜受到破壞而導(dǎo)致的。鍋爐高溫腐蝕可分為熔鹽腐蝕與氣相腐蝕，前者主要是管外壁粘聚的堿金屬硫酸鹽和煙氣內(nèi)的氧化硫互相作用，和管壁氧化層發(fā)生反應(yīng)，以此轉(zhuǎn)變成復(fù)合硫酸。復(fù)合硫酸鹽在溫度為550℃～710℃的狀態(tài)下呈現(xiàn)為液態(tài)，而此時(shí)其對(duì)于過(guò)熱器管壁存在較強(qiáng)的腐蝕效果，特別是在650℃～700℃范圍內(nèi)腐蝕作用最強(qiáng)[4];后者則是因?yàn)闊煔鈨?nèi)含有的氯化氫、氧化硫等各種腐蝕性氣體和金屬離子發(fā)生反應(yīng)，從而形成了氯化鐵、硫化鐵，而這些物質(zhì)都具有易揮發(fā)性，所以會(huì)持續(xù)隨著煙氣流動(dòng)而被帶走，暴露在外的鐵元素也會(huì)和源源不斷通入的氯化氫、氯氣等發(fā)生反應(yīng)，并且此種反應(yīng)的速度會(huì)伴隨環(huán)境溫度的提高而增快。鍋爐中的煙風(fēng)動(dòng)力場(chǎng)處于不合理狀態(tài)也會(huì)使得爐膛出口部位的煙氣分布不均勻，在產(chǎn)生余旋時(shí)，就會(huì)引起末級(jí)過(guò)熱器超溫運(yùn)作。在管壁蠕脹值臨近或是小于規(guī)定范圍之內(nèi)時(shí)，便會(huì)使得管道爆裂，而且爆口邊緣通常比較厚，斷裂面較為粗糙、不太平整，同時(shí)在靠近火源一側(cè)內(nèi)外部中會(huì)存在許多縱向裂縫。

4.2?防治措施

為降低鍋爐受熱面由于長(zhǎng)時(shí)超溫爆管所引起的失效，可按照鍋爐燃燒環(huán)境選取組織穩(wěn)定性更為優(yōu)秀的材料作為受熱面材料，提升受熱面耐高溫能力;強(qiáng)化對(duì)燃煤的管控，嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)規(guī)定選取煤種;做好對(duì)減溫水溫度與質(zhì)量的管控，防止由于水溫太高與管壁結(jié)垢所引起的超溫問(wèn)題;把控好鍋爐燃燒工況，控制好燃燒參數(shù)，保證鍋爐中煙風(fēng)動(dòng)力場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，防止由于火焰偏移和出口煙溫太高而引起的管壁超溫問(wèn)題;提高對(duì)受熱面溫度的監(jiān)控，在合理的位置安裝溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果具有代表性以及準(zhǔn)確性;在檢修時(shí)對(duì)鍋爐受熱面材料實(shí)行取樣檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)材料已經(jīng)老化需要立即替換[5]。

5?熱疲勞

5.1?失效現(xiàn)象

在管道表部形成裂縫，而且沿管壁發(fā)展。管外壁形成較多不平等的疲勞裂縫，管道內(nèi)壁形成橫向裂縫，呈現(xiàn)為網(wǎng)狀;管道外壁疲勞裂縫呈現(xiàn)為短粗狀，而內(nèi)部則為細(xì)長(zhǎng)狀，裂縫內(nèi)夾雜著腐蝕介質(zhì)以及腐蝕產(chǎn)物;裂縫走向是穿晶型，金屬組織沒(méi)有產(chǎn)生變化。熱疲勞損傷出現(xiàn)在水冷壁管燃燒部位、蒸發(fā)沸騰部位以及過(guò)熱器管道的彎曲位置。

5.2?失效原因

鍋爐管道受到交變應(yīng)力從而產(chǎn)生疲勞損壞;根據(jù)基本符合設(shè)計(jì)的機(jī)組調(diào)整為調(diào)峰負(fù)荷運(yùn)作;爐膛吹灰可能導(dǎo)致管壁溫度突然發(fā)生較大變化，從而形成熱沖擊;煙氣內(nèi)的腐蝕性物質(zhì)（例如硫、堿、氯等）加速受損;熱負(fù)荷較高，管壁超溫使得材料疲勞強(qiáng)度大幅降低。

5.3?防治措施

提升吹灰器介質(zhì)溫度，減少熱沖擊作用;升降負(fù)荷時(shí)降低壓力與溫度降低的變化程度;嚴(yán)格控制管壁超溫，以免因此而使得管道熱疲勞限度顯著下降。

6?氫脆

6.1?特點(diǎn)

氫脆爆管是因?yàn)闅湓舆M(jìn)入金屬之后，在晶界慢慢集中，再和受熱面管內(nèi)的碳物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成CH4，進(jìn)而導(dǎo)致鋼發(fā)生脫碳，并且在金屬內(nèi)部形成應(yīng)力，出現(xiàn)沿晶開裂爆管。通常氫脆大多出現(xiàn)在水冷壁近火端熱負(fù)荷偏高的部位。

6.2?預(yù)防措施

（1）選取耐氫脆鋼作為鍋爐受熱面材料，防止氫氣持續(xù)擴(kuò)散開來(lái);

（2）強(qiáng)化對(duì)鍋爐內(nèi)水質(zhì)的檢查和控制，把控好氫氣的析出量;

（3）按期對(duì)受熱面實(shí)行除垢;

（4）嚴(yán)格防范受熱面超溫運(yùn)作。

7?缺水現(xiàn)象

7.1?原因

缺水是火電廠鍋爐在實(shí)際運(yùn)作期間較常發(fā)生的一種事故，而且此項(xiàng)事故會(huì)在發(fā)生時(shí)引起嚴(yán)重危害。鍋爐在使用過(guò)程中，若是受熱面存在一定的缺陷問(wèn)題，便會(huì)使得局部不能充分進(jìn)行冷卻，這時(shí)，便會(huì)使得管子壁溫度急速攀升，從而使其抗拉強(qiáng)度大幅下降。管子中氣壓引起的壓力高于材料在實(shí)際運(yùn)用中的各類屈服極限，這會(huì)使得管子在運(yùn)用時(shí)發(fā)生鼓包、變形、爆裂等各種問(wèn)題，甚至有可能使得鍋爐出現(xiàn)爆炸。在火電廠鍋爐運(yùn)作時(shí)，由于時(shí)間不長(zhǎng)，所以，不能及時(shí)構(gòu)成一層高厚度的氧化膜，而爆破部位的管道內(nèi)側(cè)也較為干凈，通常而言，會(huì)因?yàn)槭艿狡驴诘臎_擊氣流的反向作用力影響，使得管道在運(yùn)作過(guò)程中發(fā)生彎曲。當(dāng)缺水現(xiàn)象較為嚴(yán)重之時(shí)，會(huì)導(dǎo)致受熱面管發(fā)生失效的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為大部分管道會(huì)在同一時(shí)間受損，或是大部分脹口均存在漏水問(wèn)題，此種損傷在受熱面管的溫度最高部位情況最嚴(yán)重。另外，火電廠鍋爐內(nèi)使用水位計(jì)來(lái)實(shí)行對(duì)水位的調(diào)整控制的裝置不能正常運(yùn)作的情況下，或是在設(shè)計(jì)與安裝過(guò)程中存在不合理問(wèn)題，或是工作人員操作不規(guī)范，均有可能引起鍋爐使用時(shí)的嚴(yán)重缺水，從而給鍋爐運(yùn)作的安全性與穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)重影響。

7.2?預(yù)防措施

若想讓鍋爐在運(yùn)作期間受熱面可以獲得多重防護(hù)，應(yīng)當(dāng)積極創(chuàng)新，對(duì)于各種新型結(jié)構(gòu)嘗試使用。比如，可運(yùn)用雙重保護(hù)機(jī)制，在正常運(yùn)作水量較少的狀況下，另一保護(hù)機(jī)制也可以及時(shí)加以供水，防止因?yàn)槿彼鹗軣崦媸??；痣姀S鍋爐能夠設(shè)置自我保護(hù)機(jī)制，當(dāng)鍋爐內(nèi)缺水且排煙溫度比較高的情況下，可以自動(dòng)地把燃料供應(yīng)斷開。另外，也可以從鍋爐運(yùn)作狀況著手，強(qiáng)化一系列管理措施，提升管理人員的專業(yè)水平，讓護(hù)爐人員具有更強(qiáng)的責(zé)任心，防止因?yàn)槿藶橐蛩囟沟萌彼畣?wèn)題出現(xiàn)，導(dǎo)致各種安全事故的發(fā)生。需要專門安排工作人員定期對(duì)鍋爐內(nèi)的水位表加以沖洗清理，而且應(yīng)當(dāng)對(duì)鍋爐內(nèi)安裝的水位報(bào)警設(shè)備、自動(dòng)供水裝置、低水位自動(dòng)報(bào)警設(shè)備加以檢查，保證每一系統(tǒng)在運(yùn)作期間功能正常以及足夠靈敏，有效防范因鍋爐缺水而引起的各種安全事故。

結(jié)語(yǔ)

為了避免鍋爐受熱面失效而給火電廠生產(chǎn)作業(yè)造成的負(fù)面影響，需要對(duì)各方面原因展開深度調(diào)查，再?gòu)脑O(shè)計(jì)、制造、安裝等多個(gè)流程著手，提高防范控制力度，而且需要針對(duì)鍋爐的日常運(yùn)行實(shí)行全面的管理，加強(qiáng)維護(hù)與保養(yǎng)工作，提升質(zhì)量檢測(cè)工作的全面性與有效性，盡可能減少由于受熱面失效而給火電廠帶來(lái)的利潤(rùn)損失。

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作者簡(jiǎn)介：徐澤洋（1991—?），男，漢族，四川宜賓人，本科，助理工程師，研究方向：鍋爐受熱面結(jié)焦管壁腐蝕。