電站鍋爐減溫器缺陷分析及預(yù)防措施

譚琦

（廣東電力發(fā)展股份有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

目前電站鍋爐大多采用改變?nèi)紵鲀A角、調(diào)節(jié)煙氣擋板和噴水減溫等措施來(lái)調(diào)節(jié)汽溫，其中噴水減溫器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)靈敏度高、降溫幅度大、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制且調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)其他系統(tǒng)影響較小等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[1]。但減溫器長(zhǎng)期處于蒸汽沖刷、減溫水與蒸汽溫差大，噴水流量變化頻繁、金屬壁溫冷熱交替頻繁的惡劣工況中，極易發(fā)生各類故障甚至失效[2]。由于減溫器檢修未被列入標(biāo)準(zhǔn)大修項(xiàng)目，且目前相關(guān)監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程對(duì)減溫器的檢驗(yàn)范圍與周期要求不夠詳細(xì)，少數(shù)發(fā)電廠在減溫器定期檢驗(yàn)方面存在漏檢、失檢情況，容易導(dǎo)致減溫器的微小缺陷未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而逐步擴(kuò)大進(jìn)而引發(fā)失效。本文梳理列舉了電站鍋爐減溫器的常見(jiàn)缺陷，分析產(chǎn)生原因，提出了有關(guān)預(yù)防措施以及減溫器較詳細(xì)的檢驗(yàn)周期、方法與范圍的建議，以期為火電發(fā)電廠提高鍋爐減溫器可靠性提供參考，保障機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。

1 減溫器原理與結(jié)構(gòu)

1.1 減溫器原理

電站鍋爐減溫器是一種將水作為冷卻介質(zhì)調(diào)節(jié)主蒸汽及再熱蒸汽溫度的裝置，其作用是控制和保持主蒸汽及再熱蒸汽溫度為規(guī)定值，并防止過(guò)熱器、再熱器管壁過(guò)熱。噴水減溫器是將減溫水直接噴入蒸汽中，降低蒸汽的熱焓，以達(dá)到調(diào)節(jié)汽溫的目的[3]。

鍋爐過(guò)熱器減溫水一般從省煤器出口或高壓加熱器出口引入，減溫水溫度與進(jìn)入減溫器的過(guò)熱蒸汽溫度相差較大，投用減溫水與不投用減溫水時(shí)減溫器的溫度會(huì)發(fā)生較大變化，與減溫水接觸的部位會(huì)產(chǎn)生很大的交變應(yīng)力。

1.2 減溫器結(jié)構(gòu)

電站鍋爐減溫器大多采用笛形管直套筒噴水減溫器，其主要由筒身、混合管、噴水管、管接頭等部分組成[4]，鍋爐噴水減溫器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。減溫水管道與減溫器接管頭連接，減溫水從噴水管進(jìn)入減溫器內(nèi)部，從噴水管噴孔中噴出后與蒸汽混合，在混合筒處進(jìn)行混合，筒身受混合管保護(hù)而免受蒸汽直接沖刷。

圖1 鍋爐噴水減溫器結(jié)構(gòu)

2 失效案例與原因分析

2.1 混合管固定銷釘脫落

某燃煤電廠超臨界機(jī)組因鍋爐再熱器減溫器混合管固定銷釘脫落，堵塞高溫再熱器管口節(jié)流孔，如圖2所示，導(dǎo)致高溫再熱器管因冷卻介質(zhì)不足而超溫爆管。查閱設(shè)計(jì)圖紙減溫器混合管設(shè)計(jì)有2 顆固定銷釘，固定銷釘應(yīng)滿焊固定，而實(shí)際僅進(jìn)行了點(diǎn)焊。

圖2 再熱器減溫器銷釘堵塞節(jié)流孔

原因分析如下：①再熱減溫器混合管固定形式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，僅靠2 顆圓柱銷釘固定。②圓柱銷釘焊接不牢固，未按圖紙要求進(jìn)行滿焊。③再熱器減溫水為自動(dòng)投運(yùn)，使用頻繁且汽水溫差大，混合管焊縫長(zhǎng)期處于冷熱交替環(huán)境中，交變應(yīng)力極易導(dǎo)致金屬疲勞，導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂脫落；四是機(jī)組長(zhǎng)期、頻繁升降負(fù)荷造成金屬疲勞加劇，焊縫開(kāi)裂，導(dǎo)致減溫器銷釘加速脫落。

2.2 筒身壁厚過(guò)渡角處開(kāi)裂

某燃?xì)鈾C(jī)組余熱鍋爐再熱器減溫器筒身壁厚過(guò)渡角處產(chǎn)生貫穿性裂紋，導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃性停運(yùn)。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)再熱器一級(jí)減溫器出口端管子外壁底部有一長(zhǎng)約70mm 裂紋，裂紋位于混合管出口的筒身壁厚過(guò)渡角處，從內(nèi)壁向外開(kāi)裂，距下游彎頭連接焊縫中心約27mm。筒身壁厚過(guò)渡角處開(kāi)裂如圖3 所示。

圖3 筒身壁厚過(guò)渡角處開(kāi)裂

原因分析：燃?xì)鈾C(jī)組溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)，為滿足中壓汽缸進(jìn)汽條件，需長(zhǎng)時(shí)間投入再熱器一級(jí)減溫水，且減溫器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型可能因現(xiàn)場(chǎng)局限，選用了較短的混合管（約2.5m），減溫水在混合管內(nèi)未完全汽化流到下游筒身內(nèi)壁，在應(yīng)力集中的壁厚過(guò)度角處因熱疲勞而產(chǎn)生裂紋，電廠對(duì)頻繁投入的減溫器筒身及下游焊縫檢查重視不夠，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，直至裂紋不斷擴(kuò)展發(fā)生汽水泄漏。

2.3 減溫器下游管道壁厚過(guò)渡角處開(kāi)裂

某燃煤電廠超超臨界機(jī)組鍋爐因減溫器混合管變形，導(dǎo)致下游焊縫壁厚過(guò)渡角處產(chǎn)生貫穿性裂紋。某600MW 機(jī)組C 級(jí)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)A 側(cè)高溫再熱器進(jìn)口連接管有一處200mm 長(zhǎng)裂紋，裂紋位于再熱器減溫器與下游連接管焊縫旁約32mm。切開(kāi)焊縫發(fā)現(xiàn)減溫器混合管變形嚴(yán)重，局部開(kāi)裂，固定銷釘脫焊，減溫器筒身未發(fā)現(xiàn)裂紋，焊縫后連接管兩側(cè)壁厚過(guò)度角處出現(xiàn)縱向淺表裂紋，一處環(huán)向開(kāi)裂。

原因分析如下。該機(jī)組A 側(cè)再熱器減溫水比B 側(cè)投入頻繁且用量大，混合管長(zhǎng)期處于冷熱頻繁交替環(huán)境中而發(fā)生形變形成扁形出口，且由于混合管偏短（約2.4m），未充分混合的汽水經(jīng)變形的混合管扁形出口向下游焊縫處管道兩側(cè)噴射，使管道兩側(cè)產(chǎn)生裂紋，原管道壁厚過(guò)渡角為應(yīng)力集中處，疊加減溫后的交變應(yīng)力最后導(dǎo)致環(huán)向開(kāi)裂。

2.4 減溫器混合管及筒身開(kāi)裂

某燃煤電廠超超臨界機(jī)組混合管固定銷釘脫焊，混合管位移撞裂噴水管，引起混合管及筒身產(chǎn)生貫穿性裂紋。A 側(cè)再熱器減溫器筒身母材距噴水管座約180mm 位置，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)約200mm 的環(huán)向樹(shù)枝狀裂紋，進(jìn)行打磨和裂紋測(cè)深儀檢測(cè)為貫穿裂紋。經(jīng)內(nèi)窺檢查發(fā)現(xiàn)減溫器噴水管距離減溫水管座口約600mm 處斷裂。減溫器筒身裂紋如圖4 所示。

圖4 減溫器筒身裂紋

原因分析如下。減溫器混合管固定端2 個(gè)銷釘長(zhǎng)度不足，銷釘與混合管墊板的焊接質(zhì)量差，運(yùn)行中發(fā)生銷釘脫焊導(dǎo)致混合管振動(dòng)大，來(lái)回撞擊噴管使噴管產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，間斷噴水也使噴管產(chǎn)生交變應(yīng)力，導(dǎo)致噴管斷裂；由于該減溫器未設(shè)計(jì)檢查孔且未抽噴管檢查，銷釘脫焊及噴管裂紋未及時(shí)發(fā)現(xiàn)。未經(jīng)霧化的減溫水噴在附近混合管上，導(dǎo)致混合管開(kāi)裂，之后減溫水穿過(guò)混合管濺射減溫器筒身，引起區(qū)域性熱疲勞損傷，產(chǎn)生從內(nèi)壁到外壁的熱疲勞裂紋。

2.5 減溫器噴水管斷裂

燃煤及燃?xì)怆姀S機(jī)組鍋爐減溫器噴水管發(fā)生斷裂、噴水管噴嘴孔產(chǎn)生裂紋缺陷較常見(jiàn)。噴水管開(kāi)裂或斷裂主要出現(xiàn)在對(duì)接焊縫以及管子與內(nèi)套筒相接觸的根部。

原因分析：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，受高速汽流的沖刷作用，噴水管承受彎曲應(yīng)力，疊加噴水管中減溫水與減溫器內(nèi)蒸汽溫差較大（超290℃）、噴水量頻繁變化，噴水管同時(shí)承受熱疲勞載荷，交變應(yīng)力導(dǎo)致噴水管壁產(chǎn)生淺表性裂紋，并不斷擴(kuò)展，直至噴水管發(fā)生開(kāi)裂。

3 有關(guān)對(duì)策建議

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)選型，改進(jìn)減溫器結(jié)構(gòu)

為防止減溫器混合管固定銷釘脫落，造成減溫器缺陷擴(kuò)大或堵塞爐管等次生缺陷，建議將混合管固定方式由圓柱銷優(yōu)化為采用固定板焊接固定。固定數(shù)量由常規(guī)的2 點(diǎn)改為4 點(diǎn)，并在固定點(diǎn)間混合管上增加膨脹縫設(shè)計(jì)，以此增加混合管的穩(wěn)固及可靠性。

優(yōu)化噴水管固定方式，對(duì)減溫器噴管采用末端固定的方式進(jìn)行定位固定，避免出現(xiàn)末端不固定的懸臂結(jié)構(gòu)，提高噴水管抗振動(dòng)性能及抗疲勞破壞性能[5]。

從上述減溫器失效案例可知，部分減溫器未設(shè)置檢查孔，增加了減溫器內(nèi)部檢查的難度。部分減溫器混合管長(zhǎng)度較短，汽水未充分混合造成混合管下游管段開(kāi)裂。建議在減溫器采購(gòu)書(shū)中明確要求設(shè)置檢查孔，并適當(dāng)增加檢查孔引出管及混合管的長(zhǎng)度，保證多次檢查的焊接余量及汽水在混合管區(qū)域完成充分混合。

3.2 重視設(shè)備監(jiān)造與安裝監(jiān)督，保證制造及安裝質(zhì)量

從多次失效案例能發(fā)現(xiàn)，混合管實(shí)際制造裝配質(zhì)量與圖紙要求存在差距，如混合管固定銷釘未按圖紙滿焊要求施工，僅單側(cè)點(diǎn)焊造成焊點(diǎn)脫落而導(dǎo)致混合管位移，銷釘脫落后導(dǎo)致四管泄漏；工廠制造時(shí)檢查不夠仔細(xì)，導(dǎo)致減溫器內(nèi)殘留有內(nèi)套筒焊接襯環(huán)等。

應(yīng)加強(qiáng)制造質(zhì)量管理，做好關(guān)鍵驗(yàn)收點(diǎn)的見(jiàn)證監(jiān)造，確保關(guān)鍵工藝嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施工，且不遺留加工物料[6]。嚴(yán)把到貨驗(yàn)收及廠內(nèi)安裝質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格控制焊接與熱處理工藝、溫度與時(shí)長(zhǎng)，保證減溫器安裝質(zhì)量。

3.3 加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，確保安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

優(yōu)化運(yùn)行方式與汽溫調(diào)節(jié)，降低事故減溫水投用頻率與用量；在一、二級(jí)減溫水手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，要根據(jù)汽溫偏離大小及減溫器后溫度變化情況，平穩(wěn)調(diào)節(jié)蒸汽溫度；鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，減溫水調(diào)節(jié)要注意減溫后的溫度必須保持20℃以上的過(guò)熱度。兩側(cè)汽溫長(zhǎng)期偏差較大時(shí)，應(yīng)查找原因從根源治理，避免單側(cè)減溫器長(zhǎng)期過(guò)量噴水。

應(yīng)加強(qiáng)減溫水閥門(mén)維護(hù)，避免發(fā)生內(nèi)漏；做好減溫器支吊架及保溫的日常巡查與調(diào)整、修復(fù)工作；優(yōu)化控制策略，保證自動(dòng)控制系統(tǒng)正常投運(yùn)。

3.4 定期監(jiān)督檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)消除缺陷

鍋爐減溫器監(jiān)督檢驗(yàn)工作應(yīng)結(jié)合鍋爐內(nèi)部檢檢，在每次A 級(jí)檢修中開(kāi)展。檢驗(yàn)方法及范圍建議如下。

（1）檢查減溫器筒身表面，是否有嚴(yán)重氧化、腐蝕、裂紋等缺陷。

（2）檢查減溫器筒身環(huán)焊縫、封頭焊縫、混合管定位螺栓焊縫表面，并進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行超聲或者射線檢測(cè)[7]。

（3）吊耳、支座與集箱連接焊縫和管座角焊縫，做外觀檢查及表面無(wú)損檢測(cè)。

（4）檢查減溫器混合管及噴水管是否有嚴(yán)重變形、移位、裂紋；筒身內(nèi)壁是否有裂紋和明顯腐蝕；重點(diǎn)檢測(cè)筒身內(nèi)壁以及臨近環(huán)焊縫的管道變徑處是否有裂紋。

（5）檢查減溫器筒身的膨脹與脹粗，是否有膨脹受阻及脹粗情況。

機(jī)組B、C 級(jí)檢修中，應(yīng)根據(jù)上次檢查情況及設(shè)備運(yùn)行狀況確定檢查范圍，重點(diǎn)檢查運(yùn)行中減溫水使用頻繁、用量較大的鍋爐減溫器，尤其是再熱器減溫器。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，再熱器減溫器常見(jiàn)缺陷為筒身、混合管或噴水管裂紋，混合管固定銷釘脫落，固定銷釘焊縫裂紋及附近混合管磨損凹坑，混合管后管道壁厚過(guò)渡角處裂紋。過(guò)熱器減溫器常見(jiàn)缺陷為噴水管裂紋。

缺陷產(chǎn)生原因如下：①再熱器減溫水與蒸汽溫差大，且間斷式投用，頻繁冷熱交替，交變應(yīng)力易導(dǎo)致金屬疲勞，焊縫開(kāi)裂。②減溫器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。③固定銷釘焊接不牢固。④噴水管開(kāi)裂后，減溫水直接噴濺混合管，混合管裂穿后筒身失去防護(hù)。⑤因部分減溫器無(wú)檢查孔等原因，缺陷未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致進(jìn)一步擴(kuò)大。

減溫器是火電廠調(diào)節(jié)鍋爐汽溫的重要手段，也是汽水系統(tǒng)的重要部件，減溫器發(fā)生缺陷不僅會(huì)影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還可能導(dǎo)致蒸汽泄漏產(chǎn)生非計(jì)劃停運(yùn)甚至人身安全風(fēng)險(xiǎn)等嚴(yán)重后果。因此，有必要從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行操作、檢驗(yàn)、日常維護(hù)、檢修等各環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，優(yōu)化設(shè)計(jì)選型，改進(jìn)減溫器結(jié)構(gòu)；重視設(shè)備監(jiān)造與安裝監(jiān)督，保證制造及安裝質(zhì)量；加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，確保安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；定期監(jiān)督檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)消除缺陷。