鍋爐特種設(shè)備的檢修方法分析

丁振媛

（東營市特種設(shè)備檢驗研究院 山東東營 257000）

電力生產(chǎn)是一種連續(xù)制造過程，出于經(jīng)濟原因，設(shè)備經(jīng)常需要檢查維修，以降低重大故障的次數(shù)。另外，為了維持生產(chǎn)過程，一些組件單元經(jīng)常在故障狀態(tài)下運行。因此，在分析設(shè)備使用數(shù)據(jù)時，首要任務(wù)是通過保持設(shè)備處于良好狀態(tài)來維持生產(chǎn)能力。對發(fā)電廠的發(fā)電產(chǎn)生重大影響的設(shè)備包括鍋爐供給水泵，這些設(shè)備的故障可能會導(dǎo)致整個單元停止生產(chǎn)。因此，使用狀態(tài)監(jiān)測方法來對這類特種設(shè)備進行監(jiān)管是必要的，狀態(tài)監(jiān)測也讓工程師能夠進行預(yù)測性維護工作，而對設(shè)備的評估分析也有利于后續(xù)檢修維護［1］。

1 鍋爐故障分析

鍋爐部件主要由鋼、鑄鐵、不銹鋼和高溫合金制成。鍋爐管故障是電廠中非常普遍的現(xiàn)象。調(diào)查鍋爐管道故障的原因?qū)τ诜乐刮磥礤仩t故障非常重要。識別正確的故障機制通常有助于確保設(shè)備的完整性。鍋爐管失效的原因有很多，如點蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、應(yīng)力破裂、蠕變、侵蝕和熱疲勞。鍋爐管故障是計劃外或強制鍋爐停運的主要原因，這可能導(dǎo)致緊急停機、生產(chǎn)損失和昂貴的維修費用。局部腐蝕是一種局部變薄或金屬損失的形式，是電廠行業(yè)中鍋爐管道故障的最常見原因之一。據(jù)報道，這種管道故障機制占造成化石燃料發(fā)電廠所有管道故障的25%左右。管子在使用中的局部腐蝕是由于管壁損失機制造成的，這是由于飛灰、落渣和鍋爐燃燒室散發(fā)的煤顆粒對管子表面的磨損。這些管子的局部腐蝕也可能是由于吹灰器將高速蒸汽射流誤導(dǎo)直接撞擊管子表面，或由于相鄰管子的蒸汽切割（當故障管子破裂和高動量蒸汽逃逸撞擊相鄰管）。隨著時間的推移，在這些影響下的管子將經(jīng)歷顯著的壁厚損失，從而導(dǎo)致嚴重的塑性變形并最終爆裂。

多年來，鍋爐管的故障評估包括冶金故障調(diào)查、根本原因分析方法、管目視檢查、化學(xué)成分和使用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線的微觀結(jié)構(gòu)分析光譜學(xué)（EDS）等，以確定故障的原因。研究對部分原因提供了預(yù)防措施的建議。預(yù)測管子的剩余使用時間提供了控制侵蝕性顆粒特性（類型、大小、形狀、流速）的方案，并建議使用流量控制篩來重新分配侵蝕性顆粒、降低氣體速度和隨后降低侵蝕率。這些都有助于緩解問題，但鍋爐管的局部腐蝕問題仍然是導(dǎo)致管道泄漏的主要原因，因此，也是發(fā)電廠和其他公用事業(yè)中鍋爐計劃外停機的主要原因。

2 鍋爐特種設(shè)備的檢修

鍋爐的檢修操作無疑需要在鍋爐的停運期間進行。在此之前，操作員需要對正常運行的鍋爐進行運轉(zhuǎn)檢查，保證鍋爐在運轉(zhuǎn)過程中不存在直觀故障。每年，操作員都需要對蒸汽鍋爐進行多次全面細致檢查，以檢測是否形成水垢、腐蝕、振動、磨損、裂紋、過熱等問題，這些問題需要進行相應(yīng)的維護，以防止最終導(dǎo)致整個設(shè)備的故障。當然，在工廠里有一種儀器，它是預(yù)測性維護的最佳“設(shè)備”，是操作員的耳朵。操作員可以檢測到許多指示即將發(fā)生故障的問題，并采取措施防止故障發(fā)生。操作員可以檢測到聲音、振動、溫度的變化（只需將一只手放在設(shè)備上），這需要在測試和監(jiān)控設(shè)備上投入大量資金。鍋爐廠操作人員的持續(xù)出勤是預(yù)測性維護的一項投資，有助于確保不會出現(xiàn)重大設(shè)備或系統(tǒng)故障等意外情況。通常是鍋爐操作員提供水處理的基本維護。鍋爐管的維護需要經(jīng)過培訓(xùn)的人員在焊接和無損檢測（NDT）等領(lǐng)域進行檢查和維修，還需要特殊的工具和設(shè)備設(shè)置，如用于檢查的超聲波設(shè)備、切割和坡口機、焊接、安裝板，和設(shè)置腳手架以供進入，此外，也需要不同尺寸的備用管。所有這些資源都會產(chǎn)生成本，并且準備工作會占用停機時間。同時，作為維護人員，具備專業(yè)的知識和檢修手冊是極其重要的。在進行任何維護操作之前，都需要對整個設(shè)備有明確的認知，以免在檢修過程中造成二次人為操作不當引發(fā)的故障［2-3］。

3 鍋爐壓力部件維護

用于核電站、石化和不同工業(yè)領(lǐng)域的壓力容器暴露在高溫和多變的溫度、壓力和化學(xué)活性液體的快速流動中，因此，導(dǎo)致在容器壁上形成不同形式的裂縫和不同尺寸的空腔。

鍋爐壓力部件是發(fā)電站的重要資產(chǎn)，眾所周知，燃煤發(fā)電站是計劃和強制停機成本的最大貢獻者之一。鍋爐受壓件的性能受多種因素影響，如輸出要求、計劃維護的持續(xù)時間、計劃維護的頻率、遵守法規(guī)、資源可用性和成本和煤炭質(zhì)量等，這些因素之間的內(nèi)在關(guān)系會影響維護決策的優(yōu)化。本節(jié)討論了優(yōu)化框架在電站鍋爐管維修優(yōu)化分析中的應(yīng)用。

由于長期的內(nèi)部操作，鍋爐和壓力容器內(nèi)連續(xù)高溫，如果有裂縫出現(xiàn)，很容易造成安全生產(chǎn)事故，如鍋爐和壓力容器的爆炸，這將危害人類生命安全和公司財產(chǎn)。壓力容器故障的主要原因是容器的煙灰、結(jié)垢、腐蝕和熱沖擊。當鍋爐在爐側(cè)表面產(chǎn)生大量煙灰時，它會顯著隔熱并減少傳熱，并導(dǎo)致效率損失。如果水邊表面積聚大量水垢，情況也是如此。小至1/8英寸的水垢或煙灰可將燃料成本上升25%，同時，還會顯著導(dǎo)致管板、熔爐和管道的壓力容器故障。當這種情況發(fā)生時，第一個跡象是煙囪溫度明顯高于正常水平，這是由于缺乏熱量傳遞到容器的水背表面?；蛘?，當鍋爐停機一段時間后，可能有跡象表明設(shè)備前部或后部漏水。此外，管道水側(cè)可能會出現(xiàn)氧氣點蝕（腐蝕），從而使水進入管道的內(nèi)部爐側(cè)并泄漏到地板上。熱沖擊損壞是由于進入鍋爐的給水溫度的根本差異造成的，并且很可能會發(fā)現(xiàn)管和管板泄漏的根據(jù)，以及鍋爐的給水連接可能破裂。要解決鍋爐中的結(jié)垢和腐蝕問題，首先要確保執(zhí)行適當且定期的排污程序，包括表面和底部，并聘請合格的水處理專家推薦適當?shù)幕瘜W(xué)品和劑量以消除腐蝕和結(jié)垢。此外，還可以考慮使用除氧器來大大減少給水中的游離氧，減少對化學(xué)品的需求和過度頻繁的表面排污，從而節(jié)省能源成本。煙灰問題是一個燃燒問題，需要合格技術(shù)人員的技能，他們將讀取讀數(shù)并在整個燃燒器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)調(diào)整燃料/空氣比。關(guān)鍵是要允許足夠的過量空氣以防止?jié)猓簾煟┗旌?，同時，將過量空氣保持在安全但可接受的有效點，同時從低火調(diào)節(jié)到高火。熱沖擊問題很常見，可以是冷沖擊也可以是熱沖擊。通常，冷沖擊會導(dǎo)致壓力容器快速收縮，從而對焊縫和管板韌帶造成過大的應(yīng)變。解決方案是確保進入鍋爐的給水盡可能接近其飽和溫度，這是考慮為鍋爐提供除氧器的另一個原因。除氧器是一種加壓容器，使用鍋爐的蒸汽提高給水溫度以驅(qū)除腐蝕性氣體（氧氣和二氧化碳）。通常，除氧器在約5psig（227 F）下運行，但是，如果鍋爐在高于100psig（338 F）的更高范圍內(nèi)運行，它可以在更高的壓力、溫度下運行，關(guān)鍵是盡可能減小給水溫度與鍋爐運行溫度之間的差異。

4 安全閥的檢修

任何鍋爐上最重要的裝置是安全泄壓閥，必須定期檢查。與通常做法相反，在高于安全閥設(shè)置的任何點對鍋爐進行壓力測試沒有任何優(yōu)勢，唯一的例外是焊接維修后，然后由當?shù)劐仩t檢查員自行決定。鍋爐永遠不能在高于安全泄壓閥設(shè)置的壓力下合法運行。如果管接頭在高于安全閥設(shè)置的壓力下進行測試時泄漏，它們可能會在壓力下降，并恢復(fù)正常操作時密封。過度軋制管材可能只會削弱管材金屬。安全閥的狀況至關(guān)重要，檢查安全閥時，應(yīng)檢查所有相關(guān)的排放管道的尺寸、壓力等級和支撐是否正確。壓力容器和安全閥之間不應(yīng)放置閥門。在鍋爐運行時，應(yīng)通過提升測試桿來測試它們是否可以自由運行。抬起手柄時，熱水被強制排出，注意任何排放物都應(yīng)遠離人員。閥門關(guān)閉后，應(yīng)檢查閥門是否存在泄漏，表明閥座上有污垢。如果第二次操作閥門后仍然存在泄漏，則應(yīng)更換閥門。

5 超聲波檢修技術(shù)

采用超聲波探傷法對鍋爐和壓力容器進行無損探傷，其原理是利用介質(zhì)在傳播過程中發(fā)生的界面反射特性來實現(xiàn)缺陷檢測［2］。該方法靈敏度高、穿透力強、檢測效率高。所述超聲波探傷設(shè)備具有重量輕、對人體無害、體積小等特點，它可以快速檢測壓力容器、管道或鍋爐的缺陷，目前廣泛應(yīng)用于壓力容器、鍋爐等領(lǐng)域的安全評價。通常，新安裝的壓力容器、管道或鍋爐將使用X 射線進行隨機檢查，但在檢查和檢查已經(jīng)運行或使用中的壓力容器和管道時，X 射線在某些情況下可能受到地下作業(yè)和空中作業(yè)的限制，因此，超聲波更適合于已經(jīng)使用的壓力容器和管道的檢測。在超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用過程中，主要使用超聲波儀器。在對鍋爐管道進行檢測的過程中，超聲波會進入鍋爐。如果在檢查過程中超聲波受到阻力而返回，則說明鍋爐管道有裂紋。此外，可以根據(jù)超聲響應(yīng)時間確定管道缺陷的大致位置，為后續(xù)的維修工作提供了方便。

6 預(yù)測性維護鍋爐

由于設(shè)備監(jiān)控和故障檢測，可以從預(yù)防性維護方法過渡到預(yù)測性維護方法。預(yù)測性維護需要有關(guān)設(shè)備當前健康狀況的全面信息。額外的計量、物理過程建?；驍?shù)據(jù)驅(qū)動模型可用于獲取信息。系統(tǒng)的集成及對現(xiàn)有系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)使用高級分析的可能性使得該領(lǐng)域的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法得以快速發(fā)展，從而提供了以廉價方式獲得洞察力的機會。預(yù)測性維護提供更好的預(yù)定修復(fù)計劃，最大限度地減少計劃內(nèi)和計劃外停機時間，這意味著應(yīng)減少對狀況良好的設(shè)備進行不必要的維修；通過實時健康監(jiān)控，最大限度地減少停機的可能性；通過估計剩余使用壽命來更好地管理資產(chǎn)。

生產(chǎn)環(huán)境中，分析工作的一個重要問題是確保數(shù)據(jù)的準確性。對于人工錄入的數(shù)據(jù)，如故障日志中錄入的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)很少包含事件的具體時間、內(nèi)容，這對在來自傳感器的數(shù)據(jù)流的時間序列中正確分類事件和正確發(fā)生事件的時間提出了挑戰(zhàn)。此外，除了測量誤差的問題外，傳感器數(shù)據(jù)還經(jīng)常受到其他設(shè)備的干擾，例如，測得的振動值可能來自連接的組件，溫度指示受天氣條件的影響很大。有時，記錄的測量值不是來自傳感器，而是模擬值，這種做法用于避免安全系統(tǒng)中的錯誤警報。上述方面顯著區(qū)分了生產(chǎn)環(huán)境和實驗室環(huán)境，迫使數(shù)據(jù)存在高度的不確定性而進行處理。

根據(jù)潛在故障對生產(chǎn)過程的影響，采用不同的維護方法進行鍋爐的維護。無論是采用反應(yīng)性、預(yù)防性策略，還是預(yù)測性維護策略，主要目標都是以最低成本提供生產(chǎn)所需的容量，它可以通過結(jié)合機器學(xué)習(xí)技術(shù)來最小化能源消耗。經(jīng)典的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)基于對設(shè)備物理特性的檢查和觀察，使用的技術(shù)包括視覺監(jiān)測（污染物、泄漏、熱像儀）、聲音監(jiān)測和物理監(jiān)測（溫度、振動）。通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時分析和先進的數(shù)據(jù)探索，可以實施遠程狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護工具，以在短時間內(nèi)檢測到設(shè)備故障之前的第一個警報出現(xiàn)之前的第一個故障癥狀。此外，還可以預(yù)測機械傳動系統(tǒng)中部件的剩余使用壽命，例如，將深度學(xué)習(xí)作為最先進的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法之一，如具有宏觀—微觀注意力的新型長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等科技時代下的產(chǎn)物。而在可再生能源領(lǐng)域也正在開發(fā)許多應(yīng)用［4］。

由于不確定的數(shù)據(jù)和對專業(yè)知識的訪問受限，研究學(xué)者利用回歸模型開發(fā)出在不使用分類技術(shù)的前提下的異常檢測系統(tǒng)。因此，從學(xué)習(xí)過程中排除了有關(guān)已執(zhí)行維護工作的信息。異常檢測系統(tǒng)的概念假設(shè)為與設(shè)備連接的每個測量信號創(chuàng)建一個模型，并分析信號的真實（測量）值和預(yù)期值之間的差異。預(yù)期值是根據(jù)其他傳感器的當前指示計算得出的，如正常行為建模方法中的全信號重建概念。模型是用檢查時間之前的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練的，并且假設(shè)在登記故障之前的時間里，這些值之間的差異會增加。

在創(chuàng)建的回歸模型的訓(xùn)練階段，使用的輸入數(shù)據(jù)集包含從發(fā)電信息管理系統(tǒng)（PGIM）離線獲得的原始歷史測量值。PGIM 系統(tǒng)是發(fā)電廠使用的分布式控制系統(tǒng)（DCS）信號的數(shù)據(jù)存儲庫，數(shù)據(jù)包括來自位于被監(jiān)測泵單元（如來自軸承）上的各種傳感器的溫度、油壓、電流和操作參數(shù)的設(shè)置。雖然，所提出的方法屬于監(jiān)督算法組，但它的使用不需要太多的分析技術(shù)，因為學(xué)習(xí)過程中的標簽實際上是輸入數(shù)據(jù)集的一個元素。因此，無需專業(yè)知識、歷史事件的詳細分析和生產(chǎn)過程的知識，就可以在許多領(lǐng)域快速有效地使用這種方法［5-6］。

7 結(jié)語

歸根結(jié)底，鍋爐中的所有組件都很重要，并有助于鍋爐使用的高效性、可靠性和安全性，這就是為什么保持準確的鍋爐房日志至關(guān)重要，要定期檢修并記錄所有設(shè)備的使用情況。正是這種紀律及對操作人員的專業(yè)培訓(xùn)，不僅節(jié)省了無數(shù)能源和運營成本，而且還保護了樓內(nèi)每個人的安全和福祉。本文基于對鍋爐特種設(shè)備的故障造成因素進行分析，并提出了切實可行的檢修方案，以期為行業(yè)鍋爐檢修的可靠性與安全性作出貢獻。