锅炉四管爆漏原因分析和预防措施

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，它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，特别在省煤器区，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℃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300～500℃范围内，管壁外表面温度每升高50℃，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，保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，但是进风温度越高，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，溶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O2、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，最后导致超温爆破。因此，超温导致过热，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，位移不同步，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，它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，把好焊接质量控制关。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，使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，控制火焰中心不倾斜，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》 广东电力研究所