锅炉四管爆漏原因分析和预防措施

锅炉四管爆漏原因分析和预防措施【摘要】锅炉四管爆漏占火力发电机组各类非计划停运原因之 首，严重影响火力发电厂安全、经济运行。总结下电防四管泄漏管理 经验，对锅炉四管爆漏原因进行分析并提出预防措施。所谓锅炉四管是指锅炉水冷壁、过热器、再热器和省煤器，传统 意义上的防止锅炉四管泄漏，是指防止以上部位炉内金属管子的泄 漏。锅炉四管涵盖了锅炉的全部受热面尼们内部承受着工质的压力 和一些化学成分的作用，外部承受着高温、侵蚀和磨损的环境，在水 与火之间进行调和，是能量传递集中的所在，所以很容易发生失效和 泄漏问题。据历年不完全统计锅炉四管爆漏占火力发电机组各类非 计划停运原因之首。锅炉一旦发生四管爆漏，增加非计划停运损失， 增大检修工作量，有时还可能酿成事故，严重影响火力发电厂安全、 经济运行。引起锅炉四管泄漏的原因较多，其中磨损、腐蚀、过热、 拉裂是导致四管泄漏的主要原因。总结下电防四管泄漏管理经验及 防磨防爆小组最近10年在下电、托电、盘电、张热电、石热等电厂 的工作经验，对锅炉四管爆漏原因进行分析并提出预防措施。一、锅炉四管爆漏原因分析1. 磨损煤粉锅炉受热面的飞灰磨损和机械磨损，是影响锅炉长期安全运 行的主要原因。飞灰磨损的机理是携带有灰粒和未完全燃烧燃料颗料 的高速烟气通过受热面时,粒子对受热面的每次撞击都会梳离掉极微量的金属，从而逐渐使受热面管壁变薄，烟速越高灰粒对管壁的撞击 力就越大;烟气携带的灰粒越多（飞灰浓度越大），撞击的次数就越多， 其结果都将加速受热面的磨损。长时间受磨损而变薄的管壁，由于强 度降低造成管子泄漏。受热面飞灰磨损泄漏、爆管有明显的宏观特征， 管壁减薄，外表光滑。运行中发生严重泄漏时，可发现两侧烟温偏差， 不及时停炉处理，往往会加大泄漏范围，并殃及其他受热面的安全。 2009年下电#3炉高温省煤器发生磨损泄漏，首先发现一侧烟温明显 降低，给水和蒸汽流量偏差大，后停机发现省煤器管子磨损爆破。造 成严重飞灰磨损的原因是结构因素，设计、安装与检修的不足都可能 导致磨损加剧。在省煤器边排管与炉墙之间、省煤器弯头与炉墙之间、 再热器与两侧墙之间存在一个烟气走廊。这个区域由于烟气流动阻力 小，局部烟速可增大到平均烟速的两倍，甚至更大，造成这些地方管 子磨损严重。位于烟气走廊的省煤器、再热器的弯头，过热器下弯头 及管卡附近的边排管和穿墙管部位是飞灰磨损较为严重的部位，寺别 在省煤器区，烟气温度已较低，灰粒变硬，磨损更为突出。喷燃器、 吹灰器和三次风喷嘴附近水冷壁等处也是煤粉磨损较为严重的部位。 在安装、运行和检修过程中，如果受热而管子未固定牢或管卡受热变 形/管排就会发生振动并与管卡发生碰撞磨损/也要造成机械磨损而 漏泄。预防磨损的方法主要是减小烟气走廊，均匀气流，受热面管子 迎风面加装护铁或涂耐磨涂料等。2. 腐蚀锅炉四管受热面的腐蚀主要是管外的腐蚀和水品质不合格引起的管内化学腐蚀。当腐蚀严重时，可导致腐蚀爆管事故发生。烟气对 管壁的高温腐蚀，主要是灰中的碱金属在高温下升华，与烟气中的 SO3生成复合硫酸盐，在550-710弋范围内呈液态凝结在管壁上，破 坏管壁表面的氧化膜，即发生高温腐蚀。导致受热面高温腐蚀的主要 原因是炉内燃烧不良和烟气动力场不合理/控制局部烟温/保证管壁 不超温，防止低熔点腐蚀性化合物贴附在金属表面上，使烟气流程合 理，尽量减少热偏差是减轻高温腐蚀的重要措施。水冷壁上如果产生 结渣，在周围处于一定温度和还原性气体条件下，会产生较为严重的 水冷壁管外腐蚀。水冷壁的高温腐蚀和还原性气体的存在有着密切的 关系，CO浓度大的地方腐蚀就大。管壁温度对腐蚀的影响也很大， 在300500C范围内，管壁外表面温度每升高50C,腐蚀程度则增 加一倍。水冷壁高温腐蚀部位多在热负荷较高、管壁温度较高的区域， 如燃烧器附近。过热器、再热器区还原性气体比炉内低，腐蚀速度一 般比水冷壁小。但是大容量锅炉的过热器、再热器的壁温较高，尤其 是左右两侧烟温相差较大时，腐蚀现象也相当严重。在腐蚀温度范围 内，除选用耐腐蚀的合金钢和奥氏体钢外，应控制炉膛出口烟温的升 高和烟温偏差等因素，以免引起局部过高的壁温而使腐蚀速度增大。 低温腐蚀是指硫酸蒸汽凝结在尾部受热面上而发生的腐蚀，这种腐蚀 也称硫酸腐蚀。它一般出现在低温级空气预热器的冷端。当带有SO3 的烟气流经尾部受热面时,当尾部受热面的壁温低于酸露点时水蒸气 在管壁上凝结成水，烟气中的SO3气体溶于水中，形成H2SO4溶液， 从而腐蚀管壁金属即为低温腐蚀。预防低温腐蚀的方法最常用的方法是提高入口空气温度，呆证尾部受热面壁温在酸露点以上，通常在燃 用高硫燃料的锅炉中加装暖风器或采用热风再循环，旦是进风温度越 高，排烟温度也会越高，排烟热损失就越大，所以为了保证锅炉的经 济运行，排烟温度的提高也就受到了限制。正常运行情况下，锅炉并 不会引起管内腐蚀与结垢。品质良好的给水中带有少量杂质，通过炉 水处理成为水渣或胶状物质，容解在水中通过排污排出。当给水品质 不良时，炉水中的Fe、Cu、Ca、Mg、SiO2等杂质在蒸发受热面内 被浓缩，并从锅水中游离出来附着在管内表面，形成水垢，水垢的传 热系数只有钢管的1/200 ,影响传热，并使壁温上升，导致管壁过热 鼓包或破裂。锅炉受热面在停用时与不合格水或湿空气接触，受空气 中02、CO2和SO2的影响会产生管内化学腐蚀。在给水含氧超标时， 也会使省煤器内壁产生点状氧腐蚀。托电#5炉在2006年发生过因炉 水不合格导致水冷壁管化学腐蚀管壁大面积鼓包事件,后被迫更换全 部水冷壁受热面。3. 过热过热器和再热器是锅炉承压受热面中工质温度和金属温度最高的 部件，而汽侧换热效果又相对较差，所以过热现象多出现在这两个受 热面中。受热面过热后，管材金属温度超过允许使用的极限温度，发 生内部组织变化，降低了许用应力，管子在内压力下产生塑性变形， 使用寿命明显减少，最后导至攵超温爆破。因此，超温导至攵过热，使设 备安全系数降低，应严格控制蒸汽温度的上限。过热分长期过热和短 期过热，长期过热是指管壁温度长期处于设计温度以上而低于材料的下临界温度，超温幅度不大但时间较长，锅炉管子发生碳化物球化， 管壁氧化减薄，持久强度下降，蠕变速度加快，使管径均匀胀粗，最 后在管子的最薄弱部位导致脆裂的爆管现象。长期超温爆管主要发生 在高温过热器的外圈和高温再热器的向火面。低温过热器、低温再热 器的向火面均可能发生长期超温爆管。长期过热爆管的破口形貌，具 有蠕变断裂的一般特性，管子破口呈脆性断口特征，爆口粗糙，边缘 为不平整的钝边，爆口处管壁厚度减薄不多。短期过热是指当管壁温 度超过材料的下临界温度时，材料强度明显下降，在内压力作用下， 发生胀粗和爆管现象。短期过热常发生在过热器的向火面直接和火焰 接触及直接受辐射热的受热面管子上。爆口塑性变形大，管径有明显胀粗，管壁减薄呈刀刃状一般情况 下爆口较大呈喇叭状;爆口呈典型的薄唇形爆破爆口的微观为韧窝 （断口由许多凹坑构成）;爆口周围管子材料的硬度显着升高;爆口周围 内、外壁氧化皮的厚度，取决于短时超温爆管前长时超温的程度，长 时超温程度越严重，氧化皮越厚。如果存在炉膛高度设计偏低，火焰 中心偏后、受热面偏大、受热面选材裕度不够或错用材料、动力工况 差、蒸汽质量流速偏低和受热面结构不合理等因素，都会造成受热面 超温或存在较大的热偏差及局部超温;在制造、安装和检修中，如果 出现管内异物堵塞而造成工质流动不畅、断路、短路等情况，会导致 受热面的超温;运行中如果出现燃烧控制不当、火焰后移、炉膛出口 烟温高或炉内热负荷偏差大，燃烧不完全引起烟道二次燃烧，减温水 投停不当、管内结垢等情况，也会造成受热面过热。加强运行调整和监视，控制管壁超温是预防过热的主要措施。下电#2炉2005年锅炉 更换过热器管后在机组启动后发生爆管非停，后检查发现管内堵塞异 物导致管道过热爆破。4. 焊接质量和拉裂锅炉本体是由受热面焊接组装起来的，每个受热面的每一根管子 都有多个焊口，一台大型锅炉整个受热面焊口数量多的达几万个。而 受热面又是承受高温高压的设备，焊接缺陷主要有裂纹、未焊透、未 熔合、咬边、夹渣、气孔等，这些缺陷存在于受热面金属基体中，使 基体被割裂，产生应力集中现象。在介质内压作用下微裂纹的尖端、 未焊透、未熔合、咬边、夹渣、气孔等缺陷处的高应力逐渐使基杆开 裂并发展成宏观裂纹，最终贯穿受热面管壁导致爆漏事故。焊接缺陷 的产生原因很多，它与结构应力、坡口形式、母材、焊接材料、焊接 参数、热处理工艺和焊工技术水平等有关。保证焊接质量必须加强焊 工管理及焊接工艺质量的检验评定。对锅炉压力容器焊接的焊工，应 经考试合格持证施焊，实际施焊位置、管种、尺寸应和合格证所规定 准许施焊项目相一致要特别注意合金钢、异种钢的焊接，注重焊接 准备、焊接、热处理、焊后检验各个环节;加强金属监督，防止错用 钢材及焊接材料，特别是对有关焊口要全面进行金属检验合格。所谓拉裂是指在锅炉经过多次起停后在管子-管子、管子-密封 件、管子-刚性梁连接等部件之间由于热膨冷缩不同步，立移不同步， 又无足够的补偿能力的情况下管子产生的裂纹漏泄。这些部位炉外有保温层，炉内往往又是管排密集，人员难以预先检查发现，也很难装 设监测设备。避免管子和-管子如过热器管排夹持管、定位管、屏间 屏内焊接管等在设计上应考虑加装过渡板，避免管子与管子直接接 触;管屏炉外部分，管子之间不必焊接，使管子有一定的补偿能力， 过渡板与管子间的连接焊缝，应不等强，即焊接高度应略低于管子 壁厚。管子一密封件处的拉裂主要发生在过热器、再热器的穿墙管处， 水冷壁、包墙管与鳍片连接末端等。这个问题主要应在设计阶段和安 装期间解决，要把锅炉的支吊装置，锅炉膨胀死点、膨胀方向、膨胀 量考虑清楚，要有自我补偿能力。补偿节是否适当，预留膨胀间隙及 方向是否正确，穿墙后的炉外管段应有弯曲弧度，使之具有足够的自 我补偿能力。如果发现炉顶过热器管塌落或严重变形，应进行处理， 恢复其支吊装置，密封装置。管子一刚性梁之间的拉裂，在现代大型 锅炉的炉膛及尾部都装有刚性梁，刚性梁通过过渡部件与管子连接， 刚性梁是锅炉的重要部件尼确保锅炉整体形状及刚性，在锅炉内爆 或外爆时，保护锅炉不受损伤。所以必须搞清楚锅炉各个部位的刚性 梁及锅炉膨胀系统的设计构想，管子与刚性梁之间的膨胀死点及膨 胀方向。管子与刚性梁之间的连接件应完好，不应有开裂，严重变形 及卡阻现象;刚性架内侧与管子之间的空隙要充填隔热材料，以防刚 性梁内侧受热产生弯曲变形，产生附加应力。拉裂引起的漏泄所占 比例较大，应认真检查减少拉裂漏泄，预防拉裂主要是消除应力集 中现象。张热#2炉2009年检修停炉后发现壁式再热器管子泄漏，检 查发现壁再与密封板本应自由膨胀但电建安装时焊接为一体导致拉裂。下电#3炉2007年在喷燃器角部发生锅炉启动时鳍片拉裂水冷壁 导致暴漏事件。二、锅炉四管爆漏预防措施锅炉四管泄漏的因素较多必须针对不同的原因从运行和检修以 及管理等方面采取预防措施。1加强检修管理，制定实施防磨计划至上而下提高认识，加强四管的检查监督力度。防磨防爆人员要 充分利用大、小修对四管进行宏观检查，坚持逢停必检原则，掌握 锅炉四管金属长期运行中的性能规律，发现和消除金属事故的隐 患。对高温腐蚀、磨损、胀粗、鼓包、应力集中等情况加强检查，发 现问题及时彻底地处理。加强金属监督和化学分析，对热负荷较集中 部分采取割管检查和化学分析，对易结焦、易磨损、吹灰器易吹薄的 部位进行侧厚检查，对过热器、再热器等易超温的部位进行金相分析。 加强四管附件的检查，如防磨瓦、管排卡子和护体铁，整理管排严防 形成烟汽走廊。对检修焊口做好无损探伤检验，巴好焊接质量控制关。 同时要提高检修水平，针对设备老化进行受热面更换等技术改造。2、加强运行管理和炉水监督运行人员要认真操作，按规程升降负荷。日常密切监视四管报警 情况，严防受热面四管超温，加强对管壁温度的监视，减少管壁超 温。燃料专业要加强入炉煤快速分析预报工作，为运行人员精心操作、 勤调整提供依据，便于运行人员及时调整一、二次风，合理调整风粉量和过剩空气量，吏煤粉在炉内充分燃烧。保证磨组在最佳状态运行， 严格控制煤粉细度减少设备磨损。认真进行燃烧调整，空制火焰中心 不倾斜，严格控制各部件的参数，严禁超限运行，加强受热面吹灰， 防止局部结焦超温。加强炉水监督，保证品质合格等。三、结论防止四管爆漏是一项综合工程，应从运行、检修、技术改进等方 面加强监督、管理和检查、综合考虑。下花园发电厂历来重视锅炉 四管泄漏的预防工作，成立了以生产厂长为组长的锅炉四管防磨 防爆专项治理工作小组，定期对机组运行、检修中暴露出的问题开展 专题分析活动，超前谋划和防范，修订防止四管爆漏管理规定， 制定切实可行的目标、技术措施，层层落实岗位责任制。运行人员根 据煤质变化及时调整燃烧，控制合理风速，控制管壁超温、加强设备 运行监督和化学监督。检修人员提高检修质量和金属监督力度。防磨 防爆工作小组最近10年去托电、盘电、张热电、石热等电厂外出进 行专项检查，积累了丰富的大机组检查经验，并应用到下电的防磨防 爆检查工作中，坚持集团公司“逢停必检方针，尽可能地扩大检查范 围，加强对隐蔽部位的检查，发现了许多问题并及时处理，大大地减 少了锅炉非停，保证了发电厂的安全稳定运行。参考文献：程绍兵等大容量锅炉高温受热面超温失效原因及对 策广东电力,2004年1月2、范从振锅炉原理水利电力出版社1986年5月第一版3黄剑弈浅析锅炉四管泄漏和爆破的原因广东电力硏究所浅析锅炉过热器爆管机理摘要探讨了近期发生的2、3#锅炉过热器爆管机理，指出直接原 因是过热器管道的磨损，同时长期超温及腐蚀问题也不容忽视。关键词锅炉;过热器;爆管机理1锅炉及过热器爆管概况我厂现有三台B&WB-130/3.82-M锅炉，经过提产改造后额定出 力达到150t/h。制粉系统为中间储仓式热风送粉系统，干燥剂为热 风加乏气再循环，燃烧器为四角布置直流型、百页窗式水平浓淡燃烧 器。过热器、省煤器和空气预热器均为两级布置，在两级过热器之间 布置有采用自制冷凝水喷水减温的减温器。过热器基本数据见下表。名称规格数量（排）材质布置一级过热器顶棚管038x 3.56320#混流蛇形管 038x3.56320#二级过热器042x3.56215GrMo顺流在锅炉由130t/h提产改造为150t/h时还将一级过热器减少了约 20%的受热面积。7月中旬，提产改造后的2、3#锅炉运行中相继突发过热器爆管，从汽水泄漏量不正常升高亦即爆管开始，只经过48 72小时，锅炉 便难以维持运行而被迫停炉，影响到全厂生产。冷炉后检查发现，锅 炉这两次爆管具有如下特点：1.1受损伤管多。热电2、3#锅炉是92年、95年分别投产的，应 该说运行时间只有几年，并未到更换过热器的周期。然而，两次爆管 共计有30根过热器管上出现大小不等的爆破口，其中一级过热器顶 棚管10根，二级过热器20根。1.2受损管集中。80%以上的爆管发生在图1所示的圆圈区域，即 过热器顶部一、二级过热器交叉处和二级过热器下部弯管处。而且爆 管相邻，靠近烟道横截面中部。部分爆管上有23个破口。1.3爆破口形貌相似。破口大多不大，长5 10cm ,宽13cm , 形状不规则，附近明显存在冲刷磨损痕迹，断面粗糙，边缘较钝，内 部洁净，外层有氧化物，基本无胀粗现象。本文拟就这两次过热器爆管的机理做一探索，并籍此以引起有关 方面的高度重视。2过热器爆管机理分析2.1爆管的直接原因是飞灰磨损。图2和图3是此两次爆管最典型的爆破口。我们注意到几乎所有的 爆破口都存在明显磨损的痕迹，破口附近壁厚减薄，且破口面与烟气 来流方向呈45度夹角。这是灰粒和受热面间的不断冲击及不断剪切同时作用的结果。影响磨损最重要的因素是烟气速度和灰粒浓度。2.1.1磨损和流速的3.22次方成正比，因此速度影响很大。由于过 热器区域温度较高，灰粒较软，设计中通常不考虑磨损。然而改造后 的2、3#锅炉，烟气流速平均已达到11m/s。因离心力的作用，过热 器的顶部、中部及底部，是烟气流速特高区，加之炉膛烟气残余旋转 带来的影响，形成了局部烟气走廊，有时可比平均流速大3 4倍， 这样磨损就要大几十倍，从而导致磨损问题变得十分突出。从爆管统 计上看，正是这些位置上的管子发生了明显磨损。此外，凝渣管两侧 存在的结焦堵塞，使过热器中部烟气走廊更为明显。2.1.2磨损的根源是烟气中的灰粒。它来自燃料中的灰份。一年多 来，热电锅炉实际用煤一直存在灰份比设计值高，发热量比设计值低 的问题，有时灰份含量竟超过一倍。在燃用高灰份煤后，飞灰的浓度 大大增加，且灰粒具有和烟气同样的流速，于是引起了强烈的磨损。 飞灰浓度集中的烟气走廊区域，情况更为严重。另一方面，2、3#锅 炉飞灰可燃物一直偏高，灰中的碳粒不能完全燃烧，硬度较大，这使 得磨损进一步加剧。2.1.3二次燃烧带来的烧损。运行中的锅炉工况受外界影响很大， 有可能在凝渣管、过热器拉稀管区域发生煤粉二次燃烧。根据对水平 烟道的检查，不少过热器管上结有焦渣，除去焦渣后局部有烧蚀的痕 迹。烧损与磨损的双重作用，无疑使过热器工作条件恶化，增加了爆 管的可能性。2.2爆管的间接原因是长期超温过热。尽管这两次爆管具有一定的突发性，但观察爆破口形貌，未发现 明显的胀粗或鼓疱，以及“薄唇”锐边核桃状的爆破口，这表明不是 短期过热所致。相反，这些破口具有某些长期过热爆管的特征，如胀 粗不严重，破口不大，断面粗糙等。事实上，2、3#锅炉在提产改造 前的实际运行中一直存在主汽温偏高问题，有时甚至是严重超温，这 无疑增添了爆管的风险。在锅炉受热面中，过热器的工作条件最差， 根据设计，二级过热器的入口烟温是1097,出口烟温是894,由 于过热蒸汽的传热性能较差，因而二级过热器管经常处在钢材耐热极 限温度条件下工作，即使是采用了 15CrM o这一低合金珠光体热强 钢，但当管壁温度超过550弋时，蠕变极限和持久强度将显著降低。 过热器局部超温原因有：2.2.1过热器管排存在的热偏差。对流烟道的热负荷分布是不均匀 的，烟道中部的热负荷往往是烟道两侧热负荷的1.8倍，这使得部分 管排受热过于集中。一旦实际运行的管壁温度超过钢材的耐热极限温 度和高温氧化温度，必将引起管子蠕变爆管和氧化腐蚀。2.2.2实际使用的煤种变化大，与设计煤种差别大。在燃用低发热 量高灰份煤时，配风难以正常，炉内燃烧工况恶化，如火焰偏斜，燃 烧不完全，火焰中心上移等，导致水冷壁及过热器受热面大面积结焦 或堆灰，影响到传热效果，增高了进入过热器的烟温。2.2.3锅炉过热器处长期以来无吹灰设备，不能及时清除管壁积灰积渣。这一项涉及锅炉安全运行的定期工作制因此而未能得到严格执 行。2.2.4锅炉负荷波动的影响。锅炉蒸汽侧的变化往往敏捷于烟气 侧，而燃烧调整总是滞后的。负荷降低过快时，过热器管排蒸汽流量 分配不均匀，部分管排蒸汽流速突然降低甚至发生停滞，造成瞬间管 壁的过热。超负荷运行的影响更为严重，一方面蒸汽流速加快，管内 冲刷剧烈，另一方面烟温提高幅度更大，过热器管因得不到及时冷却 而超温制粉系统工况不良、炉本体漏风等也是超温的重要原因。2.3爆管还与外壁腐蚀及停炉腐蚀有关。检查爆破的管子内部，都没有发现白色粉状沉积物，表明过热器 处蒸汽品质正常。但管子外部，都有被腐蚀的深色痕迹。其原因在于 管子上存在有结灰层，这些结灰层中含有复合硫酸盐。在高温作用下， 液态的复合硫酸盐对过热器管子金属产生了强烈的腐蚀作用：2K3Fe(SO4)3+Fe3K2SO4+3FeS+6O23FeS+5O23SO2+Fe3O4腐蚀的产物是Fe3O4。另外，过热器爆管后，影响邻近管内工质的正常流量，危及正常 传热。喷到邻近管子上的蒸汽与高于400C的铁接触时，还将产生下 列反应：4H2O+3FeFe3O4+8H其产生的氢原子，如果不能很快被蒸汽流带走，则会造成氢致脆 裂。因此为避免蒸汽吹刷和腐蚀，以及事故扩大，爆管后的锅炉应及 早安排停炉检修。此外，我们注意到这两次爆管发生在二级过热器下部弯管处较多， 这或许与停炉腐蚀有关。作为立式过热器，停炉后下弯头积水处常常 发生严重腐蚀，不仅在短期内使金属表面遭到大面积破坏，而且加剧 投入运行后的腐蚀。由于用汽量的关系，我厂锅炉年平均运转率不到 70%，相当长的时间处于停炉备用期，这期间通常采用满水保养法。 满水保养法的腐蚀速度与水温、溶解氧含量、水的成份以及金属表面 的清洁程度有关。更好的防腐措施值得硏讨。3安全运行对策锅炉爆管这一事故苗头的出现，给我们敲响了安全生产的警钟。 我们应积极采取对策，避免爆管的再度发生。3.1尊重锅炉内在的运行规律，严格按操作标准作业，确保正常 的运行参数。特别是要避免超负荷。3.2要按设计要求，满足锅炉运行条件。如提高在线监测、氧量 计的准确性，严格执行炉顶及烟道吹灰器的定期工作制，确保锅炉煤 质达标等。3.3加强对过热器的金属管理，如对管材做金相分析，定期测量壁厚，取样化验内外壁腐蚀成份等。