鍋爐螺旋翅片管式省煤器泄漏故障預(yù)防與處理

王美蓮

(中國(guó)石化儀征化纖有限公司，江蘇儀征 211900)

近年來(lái)的鍋爐脫硝改造中，為滿足目前煙氣污染物排放的環(huán)保要求，配置選擇性催化還原技術(shù)(SCR)需對(duì)鍋爐進(jìn)行尾部受熱面改造，很多企業(yè)將省煤器結(jié)構(gòu)型式由光管式改造為螺旋翅片管式。改造后的螺旋翅片管式省煤器與原先的光管式省煤器相比，安裝難度明顯增加，在投運(yùn)早期因產(chǎn)生的焊接缺陷易導(dǎo)致泄漏；另外，因在光管基礎(chǔ)上增加了螺旋翅片，管排間隙相對(duì)較小，壽命中后期管排受到高溫?zé)煔獾臎_刷磨損導(dǎo)致壁厚嚴(yán)重減薄也易產(chǎn)生泄漏，這些泄漏故障的產(chǎn)生，造成鍋爐頻繁停爐檢修，影響了鍋爐運(yùn)行安全及使用經(jīng)濟(jì)性。省煤器泄漏故障的預(yù)防與處理已成為我部保證鍋爐裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題。

從設(shè)備采購(gòu)到檢修階段，通過(guò)保障設(shè)備制造質(zhì)量、提高設(shè)備安裝質(zhì)量及改進(jìn)設(shè)備檢修工藝從根本上減少鍋爐非計(jì)劃停車并且盡可能延長(zhǎng)省煤器使用壽命具有長(zhǎng)期意義。

1 脫硝改造以來(lái)鍋爐三管泄漏故障

省煤器泄漏是嚴(yán)重影響電站鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的常見(jiàn)故障，某鍋爐裝置自2013年10月開(kāi)始實(shí)施脫硝改造以來(lái)累計(jì)運(yùn)行近8年，期間累計(jì)發(fā)生29次非計(jì)劃停車，其中26次與省煤器、水冷壁、過(guò)熱器等三管泄漏相關(guān)，而由省煤器泄漏導(dǎo)致的非計(jì)劃停車共22次，占比高達(dá)75.8%，表1為某熱電部鍋爐三管泄漏臺(tái)賬。

表1 某熱電部鍋爐三管泄漏臺(tái)賬

續(xù)表-1

2 改進(jìn)措施

2.1 采購(gòu)環(huán)節(jié)—采購(gòu)質(zhì)量監(jiān)控

表1涉及的泄漏記錄中有4次與設(shè)備的制造母材缺陷或制造焊縫缺陷有關(guān)，且基本出現(xiàn)在設(shè)備服役早期，說(shuō)明設(shè)備制造質(zhì)量對(duì)省煤器服役早期的平穩(wěn)運(yùn)行影響較大，所以作為用戶有必要介入供應(yīng)商的產(chǎn)品制造過(guò)程中以保障設(shè)備制造質(zhì)量。

由于第3、7、8次泄漏與母材存在氣孔、裂紋有關(guān)，占比較高，控制原材料質(zhì)量成為不可忽視的重要環(huán)節(jié)，所以首先應(yīng)該要求供應(yīng)商對(duì)原材料進(jìn)行100%的渦流或者超聲波檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)，并提供報(bào)告，以排除鋼管裂紋、氣孔等重大缺陷。分析第3次泄漏故障，停爐后經(jīng)內(nèi)窺鏡檢查，3#爐高溫省煤器更新完畢72 h試運(yùn)行期間，尚未出現(xiàn)磨損時(shí)的第7排蛇形管第8根直管段原始母材發(fā)生貫穿性裂紋，圖1為3#爐高溫省煤器直管段原始母材裂紋示意圖。

圖1 3#爐高溫省煤器直管段原始母材裂紋示意圖

制造焊縫一般有管管對(duì)接焊縫、接管座角焊縫兩種，由于管管對(duì)接焊縫的制造自動(dòng)化程度高，而且20G的焊接性非常好，只要焊接工藝參數(shù)控制正確，出現(xiàn)缺陷的概率非常低(表1記錄也表明產(chǎn)品制造時(shí)對(duì)接焊縫質(zhì)量較好，未發(fā)生過(guò)因?qū)雍缚p質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)的泄漏)，所以應(yīng)該重點(diǎn)對(duì)焊接難度較大且難以實(shí)施檢測(cè)的接管座根部角焊縫質(zhì)量加強(qiáng)監(jiān)督檢查，必要時(shí)進(jìn)行全程旁站監(jiān)督。

因省煤器管壁壁厚較小，對(duì)容易導(dǎo)致泄漏的裂紋、氣孔、夾渣之類的面積或者體積型缺陷的容忍率很低，水壓試驗(yàn)往往能夠發(fā)現(xiàn)存在缺陷的焊縫，所以在設(shè)備驗(yàn)收環(huán)節(jié)應(yīng)重點(diǎn)跟蹤管排的水壓試驗(yàn)，確保每一片管排的試驗(yàn)壓力和保壓時(shí)間都完全符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.2 安裝環(huán)節(jié)—規(guī)范安裝焊接

原省煤器結(jié)構(gòu)型式由光管式改造為螺旋翅片管式之后，在一定程度上滿足了脫硝工藝的要求，但管排凈節(jié)距明顯減小，壓縮了省煤器管排的布置空間，為便于安裝，省煤器蛇形管排列方式由原來(lái)的順列變換為錯(cuò)列，相應(yīng)的進(jìn)出口聯(lián)箱接管座也呈錯(cuò)列(見(jiàn)圖2)。即便通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)降低了施工難度，但是因相鄰接管座間距依然較小以及焊縫周圍障礙物較多的緣故，接管座焊接時(shí)焊工基本不可能全方位觀察熔池凝固過(guò)程，所以極容易產(chǎn)生焊接缺陷，另外由于施工過(guò)程第2、3排接管座產(chǎn)生了大量隱蔽焊口，射線探傷難度大(薄壁管不適用超聲波探傷)，這些隱蔽焊口的缺陷檢出率很低。由表1可以看出，第1、2、4、5、6次泄漏故障均為省煤器進(jìn)出口聯(lián)箱接管座對(duì)接焊縫氣孔引起。

圖2 省煤器聯(lián)箱接管座布置型式

2#爐是率先實(shí)施脫硝改造的鍋爐，因2#爐低溫省煤器安裝焊口在一個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)安裝焊口質(zhì)量問(wèn)題，隨即組織施工單位、檢驗(yàn)單位、監(jiān)理單位召開(kāi)專題例會(huì)研究討論出以下解決方案：

(1) 為有效避免嚴(yán)重貫穿型缺陷導(dǎo)致泄漏故障，要求焊縫至少兩層，并須將各層焊接接頭錯(cuò)開(kāi)。

(2) 風(fēng)速高、濕度大、焊縫冷卻速度快將增加產(chǎn)生焊接缺陷的可能性，施工單位須做好防風(fēng)防雨等保護(hù)措施，施工環(huán)境必須滿足規(guī)程要求[1]。

(3) 采用比規(guī)程要求更加嚴(yán)格的檢驗(yàn)方案，適當(dāng)控制施工進(jìn)度，施工單位及檢測(cè)單位及時(shí)安排焊縫檢驗(yàn)，所有焊口100%射線探傷合格后才能進(jìn)行后續(xù)施工，提高焊接缺陷檢出率。

在采用上述三個(gè)措施后，安裝焊口遺留焊接缺陷的概率大幅度降低，至2014年9月脫硝改造完畢，共更新了6臺(tái)爐的高低溫省煤器、3臺(tái)爐的高低溫過(guò)熱器，新增近1萬(wàn)道高壓焊口僅有3道出現(xiàn)泄漏故障。

為進(jìn)一步延長(zhǎng)省煤器使用壽命，一方面對(duì)蛇形管排的第一、二排迎風(fēng)面涂刷耐磨材料，另一方面安裝時(shí)對(duì)省煤器管排的垂直度進(jìn)行嚴(yán)格控制，力求各管排節(jié)距均勻分布，防止局部間隙過(guò)小煙氣流速過(guò)快出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

2.3 檢修環(huán)節(jié)—改進(jìn)檢修工藝

脫硝改造項(xiàng)目實(shí)施后期，由于安裝質(zhì)量提高，省煤器泄漏故障概率與安裝初期相比顯著下降。脫硝改造項(xiàng)目完成后，隨著少數(shù)幾起制造缺陷、安裝缺陷的暴露，省煤器運(yùn)行進(jìn)入了平穩(wěn)期，連續(xù)3年4個(gè)月未出現(xiàn)省煤器泄漏故障。隨著運(yùn)行時(shí)數(shù)的進(jìn)一步增加，省煤器壽命逐漸進(jìn)入中后期，泄漏故障再次頻繁起來(lái)。

錯(cuò)列的螺旋翅片管省煤器較順列的光管省煤器有傳熱效果好、結(jié)構(gòu)緊湊、不易積灰的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)閴嚎s了省煤器管排的布置空間，由光管改為螺旋翅片管后，管排沿?zé)煹郎疃确较虻膬艄?jié)距明顯減小，使得流經(jīng)低溫省煤器的煙氣流速增加，管排磨損加劇，特別是垂直方向第一、二排管子側(cè)面的磨損比其他部位管子嚴(yán)重得多。圖3為低溫省煤器迎風(fēng)面管道翅片磨損減薄示意圖。經(jīng)多次泄漏故障分析發(fā)現(xiàn)：垂直方向第一、二排管子側(cè)面的磨損痕跡較明顯，一些省煤器管的部分圓弧形表面往往已轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嫘螒B(tài)，觸摸時(shí)甚至可以感覺(jué)到棱角。另外，第一、二排管子側(cè)面翅片因磨損易產(chǎn)生孔洞。由表1看出，第11、13、14、15、18、20次泄漏故障均為省煤器管排迎風(fēng)面高溫?zé)煔鉀_刷磨損造成。

圖3 低溫省煤器迎風(fēng)面管道翅片減薄示意圖a):磨損前；b)：磨損后

運(yùn)行中，由于種種原因，煙氣的速度和飛灰濃度不可能分布均勻，在局部出現(xiàn)煙氣流速過(guò)高或飛灰濃度過(guò)大的現(xiàn)象不可避免，因此磨損必然存在[2]。為降低省煤器磨損速度，延長(zhǎng)省煤器壽命，最常采用的措施是在第一排管子上方加裝防磨護(hù)罩，但是采取這一措施必須兼顧到省煤器的橫向節(jié)距[3]。當(dāng)橫向節(jié)距較大，即加裝防磨裝置后煙氣流通截面減小不大，對(duì)防磨能起較好的作用；反之，當(dāng)橫向節(jié)距較小時(shí)，加裝防磨裝置后煙氣流通截面明顯減小，將使煙速局部被加速和斜向?qū)Я?，使其后的一、二排管子磨損加重，效果會(huì)適得其反[3]。由于我部脫硝改造后的低溫省煤器橫向節(jié)距僅80 mm，決定對(duì)防磨護(hù)罩附近已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重減薄問(wèn)題的管排，延長(zhǎng)防磨護(hù)罩寬度至100～150 mm，盡可能小范圍的影響煙氣流速，另外利用停爐檢查機(jī)會(huì)對(duì)防磨護(hù)罩附近翅片管有損壞跡象的迎風(fēng)面增加涂刷耐磨涂料的頻率，加強(qiáng)對(duì)此薄弱部位的保護(hù)，減少因該區(qū)域管道進(jìn)一步磨損引起的省煤器泄漏。

對(duì)省煤器采取上述防磨措施后，管排上部迎風(fēng)面磨損問(wèn)題得到緩解，2019年下半年開(kāi)始，原先很少泄漏的管排中下部直管及彎頭部位屢次出現(xiàn)泄漏，因?yàn)檫@些受煙氣沖刷相對(duì)較輕的部位出現(xiàn)泄漏，也因?yàn)檫@些部位無(wú)法進(jìn)行防磨處理，只能對(duì)泄漏管排進(jìn)行堵管處理，隨著堵管次數(shù)越來(lái)越多，鍋爐排煙溫度及熱效率等指標(biāo)逐步變差，此時(shí)省煤器的壽命已接近末期，應(yīng)該考慮對(duì)省煤器實(shí)施新一輪更新。圖4為第21次泄漏故障，2#爐低溫省煤器甲側(cè)前倉(cāng)第4排(爐前)第8根彎頭泄漏位置圖。

泄漏故障原因分析：第21次泄漏故障前最近一次大、小修檢查情況，在2019年10月2#鍋爐大修中檢查發(fā)現(xiàn)，低溫省煤器靠下迎風(fēng)面管排普遍切削磨損明顯，大修中對(duì)四個(gè)管倉(cāng)的低溫省煤器管排采取以下兩個(gè)預(yù)防措施，在防磨罩附近翅片管的迎風(fēng)面刷耐磨涂料及適當(dāng)延長(zhǎng)防磨罩寬度。

2#爐低溫省煤器管排材質(zhì)為#20G，管徑規(guī)格φ32×4。此次2#爐低溫省煤器泄漏點(diǎn)甲側(cè)前倉(cāng)第4排(前數(shù))中下部(上數(shù)第8根，共12根)小彎處，漏口周圍磨損痕跡明顯，漏口邊緣鋒利，鍋爐運(yùn)行中管子不斷受飛灰磨損，當(dāng)管道局部減薄到最小壁厚時(shí)因內(nèi)壓作用爆破。2#爐省煤器自2013年脫硝改造更換以來(lái)，至2020年連續(xù)運(yùn)行已有6年多，相對(duì)于高溫省煤器，低溫省煤器因鍋爐脫硝工藝和優(yōu)化排煙溫度需要設(shè)計(jì)管排較為密集，煙氣流速高，因此磨損較快，已到壽命末期，隨著運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，飛灰對(duì)翅片管的沖刷磨損逐漸積累，省煤器管排普遍減薄嚴(yán)重，設(shè)備狀況難以控制，泄漏隱患大大增加，對(duì)此隱患已在2020年7月完成2#爐省煤器更新。

2.4 運(yùn)行環(huán)節(jié)—優(yōu)化脫硝工藝

煙氣SCR脫硝過(guò)程中，因氨氣和NOx不能全部混合反應(yīng)，逃逸不可避免，逃逸的氨氣容易與水蒸氣、SO3反應(yīng)生成NH4HSO4。因SCR脫硝過(guò)程產(chǎn)生的NH4HSO4通常情況下露點(diǎn)為147 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到此溫度時(shí)，NH4HSO4以液體形式在物體表面聚集或以液滴形式分散在煙氣中，硫酸氫氨是一種黏性很強(qiáng)的物質(zhì)，具有腐蝕性，而且有較強(qiáng)的吸潮性，吸附在省煤器管壁上，腐蝕省煤器外管壁及堵塞低溫空預(yù)器[4]。超低排放改造之后特別是近期環(huán)保要求進(jìn)一步提高，噴氨量明顯提高，與以前的運(yùn)行工況相比，由于噴氨在整個(gè)流場(chǎng)橫斷面及豎向流動(dòng)中不均勻程度加重，脫硝反應(yīng)后的氨逃逸增加，銨鹽生成量提高。應(yīng)該及時(shí)再生或更換運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的脫硝催化劑以減少因噴氨量被動(dòng)提高造成過(guò)多的氨逃逸；同時(shí)在前期噴氨調(diào)勻試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索增設(shè)各斷面噴氨與煙速在線監(jiān)測(cè)手段，以及控制鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的低氮燃燒，調(diào)整攻關(guān)(啟動(dòng)過(guò)程中NOx不易控制且不穩(wěn)定，氨逃逸嚴(yán)重)。

3 結(jié)束語(yǔ)

脫硝改造后的省煤器使用壽命與采購(gòu)、安裝、檢修、使用各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性都比較大，通過(guò)在采購(gòu)環(huán)節(jié)保障制造質(zhì)量、安裝環(huán)節(jié)提高安裝質(zhì)量可以獲得3～4年平穩(wěn)運(yùn)行期，極大改善鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性。而在省煤器壽命中后期，改進(jìn)設(shè)備檢修工藝，通過(guò)有針對(duì)性的防磨處理措施，同時(shí)優(yōu)化脫硝工藝和監(jiān)控手段，可以延長(zhǎng)省煤器使用壽命。

2020年更新2、3#爐低溫省煤器，2021年3月更新6#爐低溫省煤器，5月更新4#爐低溫省煤器，8月更新5#爐低溫省煤器。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，低溫省煤器傳熱管組至少使用一個(gè)大修周期，平均運(yùn)行了6年以上(一個(gè)大修周期為3年)[5]。這也說(shuō)明從脫硝改造開(kāi)始，在省煤器使用的各個(gè)階段，積極開(kāi)展省煤器泄漏故障的預(yù)防與處理工作，取得了良好效果，對(duì)滿足煙氣污染物排放要求、減少鍋爐非計(jì)劃停車，提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性都具有重要意義。