亞臨界300MW機(jī)組鍋爐墻式再熱器爆管原因分析

國家能源蓬萊發(fā)電有限公司 盧傳福

由于鍋爐墻式再熱器的實(shí)際運(yùn)行情況直接影響再熱蒸汽的品質(zhì)，所以在當(dāng)前的鍋爐使用過程中，全面提高鍋爐墻式再熱器安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。由于當(dāng)下的鍋爐參數(shù)正呈現(xiàn)持續(xù)提高的發(fā)展趨勢(shì)，由此引發(fā)再熱器爆管事故的發(fā)生概率成逐年遞增趨勢(shì)，不僅對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，影響發(fā)電指標(biāo)的完成和導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益降低，而且還直接影響到電網(wǎng)的正常調(diào)度。深入分析爆管原因從根源上解決爆管問題至關(guān)重要，必須從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)選型、制造安裝、運(yùn)行調(diào)試全過程努力，才能有效防止事故的發(fā)生。

本文結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)可知，引發(fā)鍋爐再熱器爆管問題的主要原因種類較多，包括腐蝕、超溫、焊接以及開裂等相關(guān)問題屬于主要原因，當(dāng)再熱器自身的材質(zhì)以及工作過程中的磨損情況也會(huì)在一定程度上影響爆管發(fā)生概率。通常情況下，在鍋爐再熱器運(yùn)行工作過程中發(fā)生爆管時(shí)，具體的問題發(fā)生部位和形態(tài)存在一定的相似性，由此可見，在實(shí)際的研究過程中應(yīng)該找尋共性要素，進(jìn)而深入分析具體的爆管原因是必要工作內(nèi)容，有助于提高鍋爐再熱器的實(shí)際工作效率，也能夠從根源上保障機(jī)組整體的運(yùn)行安全可靠性。

1 實(shí)例分析

本研究的亞臨界300MW機(jī)組鍋爐為SG-1025/18.3-M833型亞臨界、中間再熱控制循環(huán)、單爐膛燃煤汽包鍋爐，鍋爐采用雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)、直吹送粉、四角切圓燃燒、過熱器兩級(jí)噴水調(diào)溫，再熱器采用擺動(dòng)噴燃器擺角調(diào)溫，再熱器出口壓力和溫度分別為3.63MPa和541℃，再熱蒸汽流量每小時(shí)834.8t。下文結(jié)合該類鍋爐進(jìn)行相應(yīng)的分析研究。

SG-1025/18.3-M833再熱器采用高溫布置的設(shè)置方式，以對(duì)流換熱為主，由于再熱器往往由三級(jí)組成，所以在實(shí)際安裝過程中，首先需要對(duì)墻式再熱器進(jìn)行具體的規(guī)劃設(shè)置，將其安置在爐膛上部分貼附在前墻和兩側(cè)墻的水冷壁管位置，借助位置優(yōu)勢(shì)，使其在后續(xù)工作中能夠直接有效地對(duì)爐膛的輻射熱量進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化，之后在二三級(jí)再熱器的布置過程中，則應(yīng)該選擇煙氣溫度相對(duì)更高的折煙角偏上位置進(jìn)行安裝設(shè)置，借助折煙角的對(duì)流性質(zhì)，有效完成再熱器的對(duì)流聯(lián)合布置任務(wù)以保障機(jī)組的后續(xù)工作效率。

在充分了解再熱器的具體組成情況前提下，技術(shù)分析人員才能更加準(zhǔn)確地進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)操作，從而有效對(duì)爆管發(fā)生原因進(jìn)行深入剖析。

2 試驗(yàn)分析

宏觀形貌檢查。在發(fā)生爆管問題的情況下，工作人員應(yīng)對(duì)實(shí)際的爆管情況進(jìn)行全方位的檢查分析，首先應(yīng)從宏觀形貌角度進(jìn)行全面檢查，技術(shù)人員需要及時(shí)進(jìn)入鍋爐內(nèi)部進(jìn)行外觀檢查工作，對(duì)爆管位置具體的分布情況和該部位的爆口分布情況，進(jìn)行細(xì)致了解。根據(jù)爆管口的朝向以及爆管周圍管壁的薄厚分布情況，還有邊緣的粗質(zhì)磨損痕跡，對(duì)整體的形貌有所了解，進(jìn)而割取爆管采樣進(jìn)行宏觀檢查，根據(jù)爆管位置的管橫截面形貌處具體腐蝕形態(tài)和深度開展原因分析并結(jié)合具體內(nèi)壁腐蝕狀況，進(jìn)一步擴(kuò)大檢查范圍，從而更加全面深入的了解爆管原因。

化學(xué)成分分析。在完成基本的宏觀形貌檢查之后，相關(guān)人員應(yīng)從微觀角度入手對(duì)爆管問題發(fā)生處的化學(xué)成分進(jìn)行收集分析。在實(shí)際的成分分析過程中，首先應(yīng)對(duì)爆管母材和爆管邊緣處的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行取樣，進(jìn)而利用相關(guān)技術(shù)手段準(zhǔn)確進(jìn)行化學(xué)檢驗(yàn)分析，詳細(xì)了解管道的具體化學(xué)成分，根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果與再熱器的管道組成情況進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)爆管研究實(shí)例和相關(guān)分析工作，形成化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)表如下，根據(jù)表1，在發(fā)生爆管時(shí)管道的化學(xué)成分與鍋爐鋼管的規(guī)范母材化學(xué)成分存在較強(qiáng)的一致性。因此，在實(shí)際工作中引發(fā)爆管的原因與母材化學(xué)成分組成要素之間的關(guān)聯(lián)性并不強(qiáng)。

表1 化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)（%）

拉伸性能試驗(yàn)。在管道的拉伸性能相對(duì)較強(qiáng)的情況下，發(fā)生爆管問題的可能性將會(huì)有所降低，在試驗(yàn)過程中，相關(guān)人員應(yīng)注重拉伸性能的試驗(yàn)檢驗(yàn)，在具體的操作階段，工作人員需要分別對(duì)正常的載熱器管道進(jìn)行取樣，同時(shí)在爆管位置的爆口進(jìn)行取樣，進(jìn)行拉伸性能對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)上述實(shí)例內(nèi)容，通過實(shí)操獲得拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。根據(jù)表2可知，正常管樣的屈服強(qiáng)度為384，而爆口管樣的屈服強(qiáng)度則為362明顯低于正常管樣；爆口管樣的抗拉強(qiáng)度，以及斷后延伸率同樣顯著低于正常管樣的相關(guān)數(shù)據(jù)。由此可見，在發(fā)生爆管問題的時(shí)候，爆口位置管道的力學(xué)性能未出現(xiàn)顯著的變化。

金相組織觀察。在開展金相組織觀察檢驗(yàn)的時(shí)候，工作人員應(yīng)選取墻再在爐后設(shè)置的第一根管道進(jìn)行取樣，對(duì)該管道的母材和爆口邊緣以及腐蝕坑分別取樣，利用4%硝酸酒精溶液對(duì)樣品進(jìn)行侵蝕之后，引入leco500金相顯微鏡觀察不同組織位置的組織形貌?？傮w而言，在常規(guī)的金相組織試驗(yàn)觀察過程中，墻再管母材和爆口邊緣以及管道的腐蝕坑位置所具備的金相組織基礎(chǔ)，往往呈現(xiàn)出比較高的一致性，組織上的異常現(xiàn)象也相對(duì)較少，管道的珠光體區(qū)域完整性比較高，組織中存在的一些碳化物呈粒狀分布，整體的晶界碳化物數(shù)量情況稍有增多。

掃描電鏡檢測(cè)。在開展掃描電鏡檢測(cè)工作的時(shí)候，工作人員需要對(duì)腐蝕坑管道進(jìn)行切割，再利用超聲波相關(guān)機(jī)械，清潔吹干采樣管道后，借助掃描電鏡對(duì)管道腐蝕內(nèi)壁表面的具體形貌加以觀察。掃描電鏡檢驗(yàn)主要需要對(duì)腐蝕內(nèi)壁表面的SEM形貌進(jìn)行宏觀層面的觀察，進(jìn)而對(duì)其中存在的不規(guī)則塊狀腐蝕物進(jìn)行更進(jìn)一步的化學(xué)組成分析。管內(nèi)壁腐蝕坑一般是由形狀不相同的各類小凹坑共同構(gòu)成，并且其中存在著不規(guī)則的塊狀腐蝕產(chǎn)物，結(jié)合掃描電鏡檢驗(yàn)和能譜分析能夠更加清晰準(zhǔn)確地了解腐蝕產(chǎn)物的具體組成元素，主要元素包括鐵和氧，其中還混雜著少量的鋁、硫、鈣、銅、錳等其他元素，基于此腐蝕坑中的相關(guān)產(chǎn)物主要為氧化物，并且含有微量硫氧化物及銅氧化物等其他物質(zhì)。

腐蝕產(chǎn)物垢樣。在試驗(yàn)檢驗(yàn)過程中，還應(yīng)對(duì)爆管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行合理取樣，并且利用刮取形式提取產(chǎn)物垢樣，進(jìn)而引入先進(jìn)的掃描檢驗(yàn)設(shè)備，如全自動(dòng)順序掃描型X射線熒光光譜儀等設(shè)備設(shè)施，對(duì)垢樣進(jìn)行化驗(yàn)分析。在實(shí)踐過程中采取的構(gòu)樣往往呈黃褐色，經(jīng)過檢驗(yàn)?zāi)軌虮容^輕易地得知主要的組成成分是一些不溶物和鐵的氧化物，同時(shí)混有一些氧化銅和氧化硅等物質(zhì)，其中三氧化二鐵的含量往往近90%。歸根結(jié)底，在腐蝕產(chǎn)物垢樣試驗(yàn)分析過程中，主要利用XRF掃描對(duì)相關(guān)元素分子加以分析，提煉結(jié)果，為后續(xù)的爆管原因分析提供有力支持。

3 爆管原因綜合分析及防范建議

結(jié)合機(jī)組日常運(yùn)行和上述試驗(yàn)分析所得的腐蝕形貌及產(chǎn)物以及組成分析，還有其他檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合研究，墻式再熱器發(fā)生爆管問題與機(jī)組日常運(yùn)行過程中，停運(yùn)階段墻再管內(nèi)部產(chǎn)生的溶解氧電化學(xué)腐蝕有著比較密切的關(guān)聯(lián)。追根溯源，在機(jī)組設(shè)備停運(yùn)階段，管道內(nèi)部的濕度將會(huì)有所提升，從而形成冷凝水，隨著冷凝水在墻內(nèi)彎頭底部逐漸蓄積，管道內(nèi)水平段的冷凝水和管道空氣，將會(huì)在金屬表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，由此，管道的金屬表面將會(huì)遭到腐蝕，長此以往，隨著管道內(nèi)壁受到的腐蝕逐漸嚴(yán)重，墻式再熱器的管道內(nèi)壁出現(xiàn)腐蝕穿孔，進(jìn)而自然會(huì)發(fā)生爆管問題。

完善現(xiàn)場檢查。在工作實(shí)踐過程中找準(zhǔn)爆管發(fā)生原因后，應(yīng)針對(duì)實(shí)際的誘發(fā)原因設(shè)置行之有效的工作優(yōu)化，建議借此有效提高機(jī)組的工作穩(wěn)定性，為墻式再熱器的安全工作提供保障。因此，相關(guān)工作人員在日常操作中應(yīng)注重現(xiàn)場檢查，在實(shí)踐階段結(jié)合具體的保管原因，檢測(cè)分析結(jié)果對(duì)現(xiàn)場檢查工作進(jìn)行全面優(yōu)化，針對(duì)性地設(shè)置，相應(yīng)的防腐蝕措施有效防范爆管泄漏問題。與此同時(shí)，相關(guān)人員還應(yīng)在日常工作中落實(shí)定期的檢查及養(yǎng)護(hù)，進(jìn)而有效緩解墻式再熱器內(nèi)部停用腐蝕問題，減少腐蝕情況的發(fā)生，從而進(jìn)一步控制爆管問題。

優(yōu)化排水方法。由于引發(fā)管道內(nèi)部腐蝕和爆管的根本性原因在于，冷凝水在管道中與空氣發(fā)生溶解氧電化學(xué)反應(yīng)從而引發(fā)腐蝕，所以在實(shí)踐過程中優(yōu)化排水系統(tǒng)進(jìn)一步減少管道內(nèi)部的冷凝水殘留，對(duì)于防范爆管同樣有著一定的積極作用。以實(shí)踐操作為例，因?yàn)閬喤R界機(jī)組在實(shí)際的運(yùn)行過程中，對(duì)于水質(zhì)的要求相對(duì)較高，并且機(jī)組整體的復(fù)雜程度超乎想象，所以在系統(tǒng)工作過程中將內(nèi)部冷凝水排凈的難度也相對(duì)較大，因此在機(jī)組設(shè)備停用期間工作人員應(yīng)針對(duì)性的設(shè)置排水方法，根據(jù)溶解氧電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際發(fā)生條件，利用干燥劑法和固態(tài)堿液保護(hù)法等避免不恰當(dāng)?shù)呐潘绞?，根?jù)實(shí)際的機(jī)組運(yùn)行情況，合理利用聯(lián)氨水加氨法或充氮法等方式優(yōu)化排水方案，改善排水效果。

提高運(yùn)行規(guī)范性。在機(jī)組運(yùn)行階段操作人員需要根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，提高運(yùn)行規(guī)程的規(guī)范性。比如，在實(shí)踐階段應(yīng)注意在汽輪機(jī)打閘之后根據(jù)實(shí)際操作需求進(jìn)行抽真空操作，在鍋爐主燃料跳閘完成后進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)備設(shè)施關(guān)閉情況檢查，完成鍋爐放水操作之后需要借助鍋爐內(nèi)部的余熱，進(jìn)一步烘干金屬表面以有效避免發(fā)生溶解氧電化學(xué)腐蝕，在完成停機(jī)放水操作之后，如果部分管道還存在冷凝水殘留工作人員需要借助試驗(yàn)來確定停爐時(shí)間點(diǎn)的放水壓力設(shè)置，借此從根源上，減少管道內(nèi)的冷凝水殘留，有效避免腐蝕穿孔情況的發(fā)生。

加強(qiáng)水汽控制。除了經(jīng)由冷凝水殘留和空氣對(duì)管道表面造成溶解氧電化學(xué)腐蝕之外，管道的金屬表面膜液當(dāng)中存在的氯化物和硫酸鹽等物質(zhì)，同樣會(huì)使腐蝕情況有所加劇，從而導(dǎo)致爆管問題更加嚴(yán)重。因此，在解決爆管問題階段，還需要對(duì)水汽的具體組成物質(zhì)和總體品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格把控，在實(shí)踐階段有效控制水汽指標(biāo)，確保相關(guān)指標(biāo)被控制在特定期望值范圍內(nèi)，并結(jié)合日常檢測(cè)設(shè)置定期的有機(jī)碳指標(biāo)檢測(cè)項(xiàng)目，實(shí)時(shí)檢查水汽的指標(biāo)情況，更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)隱患問題，避免其他物質(zhì)加劇腐蝕反應(yīng)。

4 結(jié)語

在當(dāng)前的鍋爐設(shè)備使用過程中再熱器爆管發(fā)生率越來越高，為有效解決這一問題，針對(duì)亞臨界300MW機(jī)組鍋爐墻式再熱器的爆管問題，進(jìn)行深入研究并提出有效的設(shè)備優(yōu)化建議較為關(guān)鍵。從業(yè)人員在實(shí)際工作中，應(yīng)結(jié)合再熱器的工作情況和鍋爐的具體型號(hào)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的宏觀形貌進(jìn)行全面檢查，進(jìn)而根據(jù)具體的爆管取樣化學(xué)分析結(jié)果和拉伸性能試驗(yàn)以及腐蝕產(chǎn)物供樣分析，在了解爆管問題產(chǎn)生的根本原因之后，提出優(yōu)化現(xiàn)場檢查、完善排水工作、提高設(shè)備運(yùn)行規(guī)范性等具體的優(yōu)化建議，可有效避免鍋爐工作過程中再熱器的爆管問題。