電站鍋爐頂棚管泄漏的分析與處理

安婭琳 孔妍 呂凱

摘? 要：某電站鍋爐投入運(yùn)行后頻繁發(fā)生頂棚管泄漏事故，根據(jù)泄漏情況和發(fā)生頻率，有針對(duì)性地對(duì)泄漏部位進(jìn)行割管并作宏觀檢測(cè)，通過對(duì)管子爆口附近金屬材料進(jìn)行金相檢驗(yàn)并對(duì)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)、水質(zhì)化驗(yàn)記錄和鍋爐結(jié)構(gòu)等各方面因素加以分析，查找出了事故的主要形成原因，確定了易發(fā)生頂棚管爆管的位置，有針對(duì)性地提出了相應(yīng)的解決方案，并對(duì)方案實(shí)施后的效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：頂棚管;泄漏;結(jié)構(gòu)因素

中圖分類號(hào)：TK229? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

某電站鍋爐投用后，爐內(nèi)靠近兩側(cè)墻的第1、2根頂棚管頻繁發(fā)生爆管，爆管發(fā)生在頂棚管中段。使用單位將泄漏的水冷壁管段進(jìn)行了更換，將向火面用5 mm耐磨耐火澆注料進(jìn)行了保護(hù)，希望通過絕熱的方式降低壁溫，延長(zhǎng)其使用壽命。但是運(yùn)行不到1年，該頂棚管再次發(fā)生了爆管。

該電站鍋爐為自然循環(huán)、單鍋筒循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計(jì)額定蒸發(fā)量為220 t/h，額定蒸汽壓力9.8 MPa，額定蒸汽溫度540 ℃。鍋爐稀相區(qū)為方形設(shè)計(jì)，燃料為煤+煤泥，可以摻燒煤泥比例近50%，具有較大的負(fù)荷比，可以在30%的負(fù)荷下，不投油穩(wěn)燃。鍋爐采用了水冷布風(fēng)板，其循環(huán)回路有2個(gè)部分。1）兩側(cè)墻水冷壁有各自獨(dú)立的上下集箱，水經(jīng)集中下降管和分配管進(jìn)入下集箱，經(jīng)側(cè)墻水冷壁進(jìn)入上集箱，再有汽水引出管將汽水混合物引至鍋筒。2）前后墻水冷壁共用一個(gè)上集箱，水經(jīng)集中下降管和分配管進(jìn)入前水下集箱，有一部分水經(jīng)前墻水冷壁進(jìn)入上集箱，另一部分水經(jīng)水冷布風(fēng)板的管子進(jìn)入后水下集箱，然后經(jīng)后墻水冷壁、頂棚管也引至上集箱，再有汽水引出管將汽水混合物引至鍋筒。頂棚管是后墻水冷壁管的延伸部分。水冷壁管規(guī)格為Φ60mm×6mm，材質(zhì)為20 G。

1 原因分析

1.1 檢驗(yàn)情況

為了分析爆管原因，對(duì)爆管及爆破口附近管子進(jìn)行了檢驗(yàn)，并進(jìn)行了割管檢查。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，爆破口開口較小，邊緣不規(guī)則，附近管壁經(jīng)測(cè)量無明顯減薄和脹粗，爆破口區(qū)域有垂直于管子軸的橫向裂紋，不符合長(zhǎng)期超溫爆管和短期超溫爆管的特征。割管后，將爆破口附近的管子沿縱向剖開，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁存在大量橫向裂紋，裂紋縫隙內(nèi)壁較大，在向外壁發(fā)展的過程中，逐漸變細(xì)至消失。明顯可以看出，裂紋是先在內(nèi)壁產(chǎn)生再向外不斷發(fā)展的。管子內(nèi)外壁未見明顯腐蝕跡象，內(nèi)壁也未見水垢及其他腐蝕產(chǎn)物，除裂紋外，無其他異常情況，如圖1所示。

金相檢測(cè)中所發(fā)現(xiàn)的裂紋區(qū)域管子的微觀形貌表明，裂紋具有穿晶特征，尾端較尖銳，內(nèi)部有腐蝕產(chǎn)物，如圖2（a）所示。裂紋附近區(qū)域金相組織為鐵素體和珠光體，晶粒內(nèi)部有斷續(xù)網(wǎng)狀類似晶界的組織，如圖2（b）所示。爆管的管子內(nèi)壁遠(yuǎn)離裂紋區(qū)域的管段金相組織為鐵素體和珠光體，珠光體區(qū)域完整，根據(jù)《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》DL/T674—1999，組織球化評(píng)級(jí)為2級(jí)?？梢钥闯觯淞鸭y的的形貌具有熱疲勞裂紋的特征，裂紋附近金相組織雖然具有超溫導(dǎo)致組織變化的形貌特征，但是管子的泄漏的主要原因并不是因?yàn)槌瑴?，主要還是因?yàn)闊崞谛纬闪肆鸭y，隨裂紋的擴(kuò)展造成管子承壓能力下降，從而導(dǎo)致爆管泄漏。

1.2 使用情況

查看水質(zhì)化驗(yàn)記錄，和取樣分析對(duì)照，確認(rèn)給水和爐水的水質(zhì)均符合GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)要求。爆管內(nèi)壁無裂紋管段的割管檢查也表明，水冷壁內(nèi)壁無明顯結(jié)垢和腐蝕現(xiàn)象。查看運(yùn)行記錄，發(fā)現(xiàn)該鍋爐，大多數(shù)情況下，運(yùn)行負(fù)荷較低。低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐會(huì)出現(xiàn)爐內(nèi)傳熱不均，造成受熱面管子出現(xiàn)較大的熱負(fù)荷偏差，導(dǎo)致水循環(huán)故障。

由于該電站鍋爐主要是摻燒煤泥，因?yàn)榛伊枯^多，導(dǎo)致爐內(nèi)上部灰顆粒濃度較高，循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的換熱主要是輻射換熱和對(duì)流換熱，而物料濃度對(duì)輻射換熱和對(duì)流換熱均影響較大，因此摻燒煤泥的鍋爐，其上部的換熱量高于傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐。這也使得頂棚管受熱較強(qiáng)。

1.3 結(jié)構(gòu)因素

根據(jù)鍋爐循環(huán)回路特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)前墻水冷壁循環(huán)流量要大于后墻水冷壁。在下降管從前水下集箱供水的情況下，頂棚管由于進(jìn)出口高度差小，布風(fēng)板水管無高度差，在后墻水冷壁的整個(gè)循環(huán)回路中，增加阻力較多，幾乎不提供循環(huán)動(dòng)力，循環(huán)動(dòng)力主要還是后墻水冷壁垂直段和下降管之間的液體密度差，因此前墻水冷壁的水循環(huán)量阻力明顯小于后墻水冷壁，循環(huán)動(dòng)力相差不大，從而前墻水冷壁會(huì)發(fā)生搶水現(xiàn)象，對(duì)后墻水冷壁的循環(huán)造成不良影響。而對(duì)布風(fēng)板水管、后墻水冷壁下集箱、后墻水冷壁管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)布風(fēng)板水管為45根Φ83×8的管子，后墻水冷壁為96根。布風(fēng)板中間區(qū)域水管，每根管子與后水冷壁集箱連接的位置都對(duì)應(yīng)2根后墻水冷壁管，但左、右側(cè)第1根布風(fēng)板水管進(jìn)入的位置，每根對(duì)應(yīng)3根后墻水冷壁管。這樣在角部的后墻水冷壁管就容易出現(xiàn)供水不足的現(xiàn)象。

從傳熱上看，后墻水冷壁2個(gè)角部的管子本身受爐膛輻射熱較弱，為避免磨損（循環(huán)流化床鍋爐角部磨損通常較嚴(yán)重），又采用了澆注料覆蓋的方式，進(jìn)一步降低了傳熱，而從結(jié)構(gòu)上，后墻水冷壁2個(gè)角部的管子循環(huán)流速最低、最容易造成水循環(huán)故障。

從布置情況看，在循環(huán)流速較低的情況下，傾斜的頂棚管內(nèi)易出現(xiàn)汽水分層和蒸汽聚集，造成局部汽塞。這些都增大了流動(dòng)阻力，使管子的冷卻進(jìn)一步惡化，在某個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)蒸汽管段，造成傳熱惡化，使該管段壁溫較高。當(dāng)蒸汽在水管內(nèi)積聚到一定量時(shí)，上升管壓頭會(huì)變小（也存在頂棚管蒸汽由于過熱和鍋筒飽和水混合后，體積瞬間減少，導(dǎo)致壓頭下降的可能），穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，蒸汽進(jìn)入鍋筒空間，頂棚管內(nèi)蒸汽減少，原本通過蒸汽冷卻壁溫較高的管子，重新被水冷卻，使管子向火面出現(xiàn)較大的溫差應(yīng)力;當(dāng)水再次加熱產(chǎn)生較多蒸汽時(shí)，上升管壓頭又會(huì)逐漸變大，流速再次下降，頂棚管內(nèi)再次出現(xiàn)蒸汽積聚的現(xiàn)象，如此周而復(fù)始，最終因局部區(qū)域金屬壁溫發(fā)生周期性波動(dòng)，在管子中產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱疲勞破壞。

1.4 原因分析

從上述分析看，爆管的頂棚管是由于水循環(huán)流速較低，局部產(chǎn)生蒸汽，導(dǎo)致傳熱惡化，使管壁溫度發(fā)生周期性劇烈波動(dòng)，產(chǎn)生交變應(yīng)力，造成頂棚管熱疲勞破壞。局部的結(jié)構(gòu)不合理和低負(fù)荷運(yùn)行是造成局部水循環(huán)流速過低的主要因素，而煤泥的摻燒強(qiáng)化了上部水管的換熱，加劇了這一現(xiàn)象的發(fā)生。

2 處理措施

為了減少兩側(cè)后墻水冷壁管的流動(dòng)阻力，減少其他水管搶水的現(xiàn)象，將兩側(cè)最外部的一根布風(fēng)板水管進(jìn)行加粗，由Φ83mm×8mm的管子更換為Φ89mm×8mm的管子，與前后墻下集箱的連接采用100 mm長(zhǎng)的Φ89mm×8mm變?chǔ)?3mm×8mm的大小頭進(jìn)行了過渡;對(duì)頂棚管2側(cè)左右各3根進(jìn)行了管段更換;同時(shí)為了減少受熱不均，盡量避免鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，減少爐內(nèi)熱偏差。對(duì)角部的澆注料，考慮磨損因素，未進(jìn)行去除。在考慮了角部澆注料對(duì)吸熱的影響后，水動(dòng)力計(jì)算表明，改造后能滿足要求。改造后至今已運(yùn)行3年多，未再出現(xiàn)裂紋泄漏現(xiàn)象。

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