超臨界循環(huán)流化床鍋爐外置床失效案例分析及優(yōu)化措施

代澤華，龔興利，辛勝偉，劉昌旭，王 成，張 虎

(1.四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司，四川 內(nèi)江 641005；2.神華國能集團(tuán)有限公司，北京 100033)

循環(huán)流化床鍋爐是自20世紀(jì)80年代開始在國際上發(fā)展起來的一種高效、低污染的清潔燃燒設(shè)備，是電站鍋爐的后起之秀[1]。在環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天，煤炭的高效清潔利用愈發(fā)受到關(guān)注，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)因其具有燃料適應(yīng)性廣，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，污染物排放低等眾多優(yōu)點(diǎn)，在中國得到廣泛運(yùn)用[2]。截至 2017年8月，中國已成為世界上擁有在用超臨界循環(huán)流化床鍋爐最多的國家，達(dá)14臺，總裝機(jī)容量達(dá)到5 150 MW[3-5]。超臨界循環(huán)流化床(CFB)具有煤種適應(yīng)性廣、SO2爐內(nèi)脫除成本低、NOx原始生成低等優(yōu)點(diǎn)，是大規(guī)模燃用高灰分、低熱值劣質(zhì)燃料的最佳選擇[6]。外置式換熱器是大型循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵部件，可以通過控制進(jìn)入換熱器內(nèi)循環(huán)的灰流量，靈活調(diào)節(jié)爐內(nèi)和爐外受熱面的吸熱比例，使受熱面布置更加靈活[7]。鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒，采用高溫冷卻式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離[8]。循環(huán)流化床鍋爐的安裝和運(yùn)行，必須充分考慮其重復(fù)燃燒及其傳熱的特殊性[9]。在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提高，資源綜合利用和潔凈煤燃燒技術(shù)推行后[10]，循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)系統(tǒng)主要有3個主要部件，分別是旋風(fēng)分離器、回料器和外置床[3]。反應(yīng)物和燃料在鍋爐中處于高溫狀態(tài)，并在整個鍋爐系統(tǒng)中循環(huán)流動，從而提高燃料的利用率[8]。有研究者在大型循環(huán)流化床鍋爐外置床的實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，外置床使用過程中會發(fā)生一定的失效現(xiàn)象，最為明顯的2類失效現(xiàn)象分別是金屬熱膨脹磨損和受熱面在運(yùn)行過程中因流化風(fēng)和床料顆粒引起的擾動磨損，其他部位的磨損比較小。

四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司(以下簡稱白馬)超臨界循環(huán)流化床機(jī)組配置了東方鍋爐廠生產(chǎn)的 DG1900/25.4-II9鍋爐[2]，于2013年4月14日投入商業(yè)運(yùn)行。該鍋爐是中國自主研發(fā)的超臨界循環(huán)流化床直流鍋爐，采用雙布風(fēng)板單爐膛、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、循環(huán)流化床燃燒方式，重復(fù)利用外置式換熱器調(diào)節(jié)爐膛床溫及過熱、再熱蒸汽溫度，采用高溫冷卻式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離；鍋爐整體呈左右對稱布置，支吊在鍋爐鋼架上。鍋爐左右側(cè)對稱布置有共6臺外置床，爐右側(cè)從前到后依次為 A、B、C外置床，爐左側(cè)從前到后依次為 D、E、F 外置床。2015年5月15日，循環(huán)流化床鍋爐發(fā)生泄漏，經(jīng)現(xiàn)場檢查，F(xiàn)外置床部分管道發(fā)生開裂并出現(xiàn)破口；2018年3月15日，循環(huán)流化床鍋爐又一次發(fā)生泄漏，經(jīng)現(xiàn)場檢查，C 外置床多根管道存在泄漏點(diǎn)。本文對上述外置床管道失效案例進(jìn)行分析，并提出了優(yōu)化措施。

1 鍋爐外置床管排失效案例

C外置床與F外置床內(nèi)部均布置中溫過熱器Ⅰ，受熱面布置形式均為蛇形管平行于灰流動方向。中溫過熱器Ⅰ布置38片屏，蛇形管規(guī)格為51 mm×8 mm，材質(zhì)為SA-213 TP347H，采用吊掛管固定，吊掛管規(guī)格為44.5 mm×7.5 mm，外置床內(nèi)材質(zhì)為SA-213 TP347H。蛇形管為穿墻管三通后的分支管，三通前管道規(guī)格為63.5 mm×8.5 mm，材質(zhì)為SA-213 TP347H。蛇形管排與吊掛管之間采用H型墊塊、V型墊塊和耳板連接，墊塊焊接在蛇形管上，耳板焊接在吊掛管上。墊塊、耳板材質(zhì)均為ZG16Cr20Ni14Si2。

2015年5月15日，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)外置床靠爐膛側(cè)的第4根(從后至前數(shù))吊掛管中段耳板下方存在一環(huán)形裂紋和一明顯破口，第3根吊掛管存在一破口，但無環(huán)形裂紋；周邊的蛇形管道存在不同程度的沖刷痕跡，部分管道有沖刷破口。從吊掛管裂紋情況及周邊沖刷痕跡判斷，第4根吊掛管環(huán)形裂紋處是第一泄漏點(diǎn)，蒸汽泄漏后直接沖刷到第3根吊掛管，造成第3根吊掛管破口泄漏，同時吊掛管泄漏射出的蒸汽沖刷周邊蛇形管排，造成蛇形管排沖刷磨損。

2018年3月15日，經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，C外置床有15根管道存在泄漏點(diǎn)，23根管道存在損壞，其中第5排第2層管道是第一泄漏點(diǎn)，泄漏的蒸汽沖刷周邊管道。因第5排第2層管道破口傾斜向下，泄漏蒸汽直接沖刷到第6～9排第1層的防止管排晃動的連接板上，蒸汽射流因此改變方向沖刷第5排管道周邊的承壓部件，即沿著第1層和第2層管道之間的通道射流，進(jìn)而直接沖刷第1層管道上部分及第2層管道下部分，造成第9～17排第1層管道上部分、第2層管道下部分磨損。

2 鍋爐外置床管排磨損分析及改進(jìn)措施

2.1 磨損分析

循環(huán)流化床鍋爐外置床管排的磨損失效通常有沖蝕磨損和微振磨損2種。沖蝕磨損由外置床內(nèi)部循環(huán)的顆粒撞擊管排而產(chǎn)生，可細(xì)分為2種類型，分別為撞擊磨損和沖刷磨損[8]。沖刷磨損主要是由摩擦形成的，外置床內(nèi)循環(huán)的顆粒以一定的角度撞擊受熱面時，會在相應(yīng)的位置產(chǎn)生摩擦，由于顆粒表面并不是光滑的，存在一定的棱角，因此會對受熱面造成一定的刮傷。撞擊磨損是外置床內(nèi)循環(huán)的顆粒以較大的角度撞擊受熱面而形成的，隨著撞擊次數(shù)的增多，磨損范圍會逐漸擴(kuò)大，嚴(yán)重時受熱面表層還會出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象[9]。實(shí)踐表明，沖刷磨損是主要的沖蝕磨損形式，但是當(dāng)循環(huán)顆粒較多時，撞擊磨損現(xiàn)象也會很突出。微振磨損是由外置床固定元件之間的相互摩擦而產(chǎn)生的，主要發(fā)生在傳熱管壁與其固定部件之間。在外置床內(nèi)部沒有運(yùn)轉(zhuǎn)時，這2個部件之間是相對靜止的。當(dāng)有高溫物質(zhì)在外置床內(nèi)部形成內(nèi)循環(huán)時，傳熱管壁與其固定部件的溫度都會隨之升高，但是由于二者材料不一樣，熱膨脹產(chǎn)生的變形量不同，遂導(dǎo)致相對運(yùn)動的產(chǎn)生。微振磨損是隨著溫度變化而逐漸產(chǎn)生的。關(guān)于撞擊磨損和沖刷磨損，顆粒的形狀和撞擊速度對受熱面磨損程度有著直接的影響。顆粒形狀越不規(guī)則，撞擊速度越快，就越容易使受熱面產(chǎn)生磨損。至于微振磨損，其產(chǎn)生的根本原因?yàn)闆]有對自由管卡進(jìn)行限位。當(dāng)管排發(fā)生運(yùn)動時，其對應(yīng)的管卡也會運(yùn)動，使得管卡與吊桿之間發(fā)生相對運(yùn)動而形成磨損。

由C外置床和F外置床受熱面管排失效案例分析發(fā)現(xiàn)：吊掛管耳板采用焊接方式與吊掛管連接，耳板焊縫強(qiáng)度較高；在高溫狀態(tài)下，熱應(yīng)力導(dǎo)致吊掛管開裂形成環(huán)形裂縫，高溫蒸汽泄漏沖刷其他受熱面，造成周邊受熱面沖刷磨損。

外置床采用焊接方式固定吊掛管耳板，以起到防止振動的效果。吊掛管、蛇形管排焊縫數(shù)量較多，存在焊接應(yīng)力，而機(jī)組運(yùn)行又會產(chǎn)生膨脹熱應(yīng)力和振動沖擊力。在上述多種作用力的相互作用下，在外置床內(nèi)吊掛管最薄弱處易產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展即導(dǎo)致泄漏。吊掛管環(huán)形裂紋產(chǎn)生的位置較為隱蔽，空間較為狹窄，因此在日常防磨防爆檢查中缺少有效手段對此位置進(jìn)行檢查。此外，為了防止外置床管排振動，采用了 H 型鋼墊塊將上下管排焊接連接的固定形式。在高溫運(yùn)行過程中，H 型鋼與管道焊接區(qū)域焊縫容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而造成焊縫產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致泄漏。

根據(jù)檢修記錄，C 外置床第5排第2層管道所屬位置是易磨損部位，原第5排第2層管道加裝了防護(hù)罩，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)防護(hù)罩靠近泄漏點(diǎn)位置已經(jīng)脫落。防護(hù)罩松動脫落并與受熱面管道相互碰撞，造成機(jī)械磨損。同時由于失去防護(hù)罩，管道因磨損減薄，最終造成泄漏。

2.2 管卡結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從循環(huán)流化床鍋爐外置床受熱面及管排的磨損分析中可以得出，管卡結(jié)構(gòu)與受熱面磨損有著緊密的聯(lián)系，因此可以通過優(yōu)化管卡結(jié)構(gòu)來減小受熱面的磨損。在傳統(tǒng)的鍋爐結(jié)構(gòu)中，管卡和吊桿并非完全固定在一起，二者之間存在一定的間隙。當(dāng)顆粒在鍋爐內(nèi)循環(huán)并產(chǎn)生撞擊時，管卡與吊桿之間就會發(fā)生相對摩擦，從而產(chǎn)生磨損。管卡結(jié)構(gòu)有2種類型：一種是固定式的，稱為固定管卡；另一種是移動式的，稱為自由管卡。對于自由管卡，可將最上面的管卡與上限位部件焊接在一起，而最下面的管卡與下限位部件之間須留有一定的間隙，作為熱膨脹時的緩沖空間；對于固定管卡，可以將所有管卡焊接成一個整體，并將其焊接到上限位部件上。通過對這2種管卡結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，可以在一定程度上改善磨損的情況。

2.3 材料選擇

循環(huán)流化床鍋爐外置床受熱面及管排的磨損與其自身材料的耐磨性能也有著緊密的關(guān)系。綜合考慮耐磨性能和成本要求，可為不同部位選用不同的耐磨材料。對于管束及懸掛管等部位，需選用傳熱耐壓材料，通常以低碳鋼為主，也可以選用合金鋼；對于處在腐蝕環(huán)境下的受熱面，需要在其表面噴涂一些耐火材料，也可以選擇添加內(nèi)襯；對于溫度變化較為頻繁的部位，則需要選擇熱膨脹系數(shù)較小的材料，這樣其產(chǎn)生的變形就會較小；對于耐高溫連接板，均須采用耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的材料制造。

2.4 管排固定方式改進(jìn)

為防止管排劇烈晃動，增強(qiáng)管排的牢固性，可采用“圓弧卡+耐高溫連接板”的連接固定方式，將每個外置床最上層和最下層的管排分區(qū)連接，加裝的所有半圓卡均不與承壓管道焊接。耐高溫連接板均采用310S不銹鋼材料，圓弧卡、連接板厚度均為8 mm。

A外置床與D外置床各有40排管排，管排按從前往后分3個區(qū)進(jìn)行固定。從前往后數(shù)，第一個區(qū)域共14排管道，第二個區(qū)域共13排管道，第三個區(qū)域共13排管道。每個區(qū)域采用圓弧固定卡進(jìn)行固定，每個區(qū)域所有連接件間隙大于20 mm。

B、C、E、F這4個外置床各有38排管排，管排按從前往后分3個區(qū)進(jìn)行固定，前后各13排管排，中間12排管排。每個區(qū)域采用圓弧固定卡進(jìn)行固定。每個區(qū)域所有連接件的間隙大于20 mm。

割除每個外置床每個區(qū)域管排的焊接連接板，連接板之間膨脹間隙大于20 mm，間隙均勻，可防止焊縫應(yīng)力集中。為防止管排與H墊塊之間的焊縫出現(xiàn)應(yīng)力集中，每個管排上、下方的連接H墊塊均采用兩邊直角倒角45°，半徑為50 mm，打磨后進(jìn)行著色檢查，對存在裂紋的部分進(jìn)行修補(bǔ)。

3 結(jié)論

1)超臨界循環(huán)流化床鍋爐外置床管道受熱面磨損失效主要有沖蝕磨損和微振磨損2種形式，主要受金屬熱膨脹和管排振動影響。

2)外置床管排固定方式優(yōu)化方案應(yīng)用于白馬超臨界循環(huán)流化床鍋爐外置床，不僅提升了外置床的穩(wěn)定性和安全性，也減少了因金屬熱膨脹和管排振動而發(fā)生的失效事件。