電站鍋爐過熱器爆管原因及對策

摘要:隨著我國電力工業建設的迅猛發展，各種類型的大容量火力發電機組不斷涌現，鍋爐結構及運行更加趨于復雜，不可避免地導致并聯各管內的流量與吸熱量發生差異。當工作在惡劣條件下的承壓受熱部件的工作條件與設計工況偏離時，就容易造成鍋爐爆管。

關鍵詞:電站鍋爐 過熱器 爆管

1 過熱器爆管的直接原因

造成過熱器、再熱器爆管的直接原因有很多，主要可以從以下幾個方面來進行分析。

1.1 設計因素

1.1.1 熱力計算結果與實際不符 熱力計算不準的焦點在于爐膛的傳熱計算，即如何從理論計算上較合理的確定爐膛出口煙溫和屏式過熱器的傳熱系數缺乏經驗，致使過熱器受熱面的面積布置不夠恰當，造成一、二次汽溫偏離設計值或受熱面超溫。

1.1.2 過熱器系統結構設計及受熱面布置不合理 調研結果表明，對于大容量電站鍋爐，過熱器結構設計及受熱面布置不合理，是導致一、二次汽溫偏離設計值或受熱面超溫爆管的主要原因之一。

1.2制造工藝、安裝及檢修質量 從實際運行狀況來看，由于制造廠工藝問題、現場安裝及電廠檢修質量等原因而造成的過熱器和再熱器受熱面超溫爆管與泄漏事故也頗為常見，其主要問題包括以下幾個方面。

1.2.1 焊接質量差 如大同電廠6號爐，在進行鍋爐過熱器爆管后的換管補焊時，管子對口處發生錯位，使管子焊接后存在較大的殘余應力，管壁強度降低，長期運行后又發生泄漏。

1.2.2 聯箱中間隔板焊接問題 聯箱中間隔板在裝隔板時沒有按設計要求加以滿焊，引起聯箱中蒸汽短路，導致部分管子冷卻不良而爆管。

1.2.3 聯箱管座角焊縫問題 據調查，由于角焊縫未焊透等質量問題引起的泄漏或爆管事故也相當普遍。

1.2.4 異種鋼管的焊接間題 在過熱器和再熱器受熱面中，常采用奧氏體鋼材的零件作為管卡和夾板，也有用奧氏體管作為受熱面以提高安全裕度。奧氏體鋼與珠光體鋼焊接時，由于膨脹系數相差懸殊，已發生過數次受熱面管子撕裂事故。

1.2.5 普通焊口質量問題 鍋爐的受熱面絕大多數是受壓元件，尤其是過熱器和再熱器系統，其管內工質的溫度和壓力均很高，工作狀況較差，此時對于焊口質量的要求就尤為嚴格。

1.3 調溫裝置設計不合理或不能正常工作 為確保鍋爐的安全、經濟運行，除設計計算應力求準確外，汽溫調節也是很重要的一環。大容量電站鍋爐的汽溫調節方式較多，在實際運行中，由于調溫裝置原因帶來的問題也較多。

1.3.1 減溫水系統設計不合理 某些鍋爐在噴水減溫系統設計中，往往用一只噴水調節閥來調節一級噴水的總量，然后將噴水分別左右兩個回路。

1.3.2 噴水減溫器容量不合適 噴水式減溫器一般設計噴水量約為鍋爐額定蒸發量的3%～5%，但配200MW機組的鍋爐由于其汽溫偏離設計值問題比較突出，許多電廠均發現噴水減溫器容量不夠。

1.3.3 噴水減溫器調節閥調節性能問題 噴水減溫器的噴水調節閥的調節性能也是影響減溫系統調溫效果的因素之一。調研結果表明，許多國產閥門的調節性能比較差，且漏流嚴重，這在一定程度上影響了機組的可靠性和經濟性。

1.4 運行狀況對過熱器超溫、爆管的影響 過熱器調溫裝置的設計和布置固然對于過熱器系統的可靠運行起著決定性的作用，但是，鍋爐及其相關設備的運行狀況也會對此造成很大的影響，而后者又往往受到眾多因素的綜合影響。因此，如何確保鍋爐在理想工況下運行是一個有待深入研究的問題。

①蒸汽品質不良，引起管內結垢嚴重，導致管壁過熱爆管;②爐內燃燒工況;③高壓加熱器投人率低;④煤種的差異;⑤受熱面沾污; ⑥磨損與腐蝕。

2 過熱器爆管的根本原因及對策

2.1 長期過熱

2.1.1 失效機理 長期過熱是指管壁溫度長期處于設計溫度以上而低于材料的下臨界溫度，超溫幅度不大但時間較長，鍋爐管子發生碳化物球化，管壁氧化減薄，持久強度下降，蠕變速度加快，使管徑均勻脹粗，最后在管子的最薄弱部位導致脆裂的爆管現象。

2.1.2 產生失效的原因 ①管內汽水流量分配不均;②爐內局部熱負荷偏高;③管子內部結垢;④異物堵塞管子;⑤錯用材料;⑥最初設計不合理。

2.1.3 故障位置 ①高溫蠕變型和應力氧化裂紋型主要發生在高溫過熱器的外圈的向火面;在不正常的情況下，低溫過熱器也可能發生;②氧化減薄型主要發生在再熱器中。

2.1.4 防止措施 對高溫蠕變型可通過改進受熱面、使介質流量分配合理;改善爐內燃燒、防止燃燒中心偏高;進行化學清洗，去除異物、沉積物等方法預防。對應力氧化裂紋型因管子壽命已接近設計壽命，可將損壞的管子予以更換。對氧化減薄型應完善過熱器的保護措施。

2.2 短期過熱

2.2.1 失效機理 短期過熱是指當管壁溫度超過材料的下臨界溫度時，材料強度明顯下降，在內壓力作用下，發生脹粗和爆管現象。

2.2.2 產生失效的原因 ①過熱器管內工質的流量分配不均勻，在流量較小的管子內，工質對管壁的冷卻能力較差，使管壁溫度升高，造成管壁超溫;②爐內局部熱負荷過高(或燃燒中心偏離)，使附近管壁溫度超過設計的允許值;③過熱器管子內部嚴重結垢，造成管壁溫度超溫;④異物堵塞管子，使過熱器管得不到有效的冷卻;⑤錯用鋼材。錯用低級鋼材也會造成短期過熱，隨著溫度升高，低級鋼材的許用應力迅速降低，強度不足而使管子爆破;⑥管子內壁的氧化垢剝落而使下彎頭處堵塞;⑦在低負荷運行時，投入減溫水不當，噴入過量，造成管內水塞，從而引起局部過熱;⑧爐內煙氣溫度失常。

2.2.3 故障位置 常發生在過熱器的向火面直接和火焰接觸及直接受輻射熱的受熱面管子上。

2.2.4 爆口形狀 ①爆口塑性變形大，管徑有明顯脹粗，管壁減薄呈刀刃狀;②一般情況下爆口較大，呈喇叭狀;③爆口呈典型的薄唇形爆破;④爆口的微觀為韌窩(斷口由許多凹坑構成);⑤爆口周圍管子材料的硬度顯著升高;⑥爆口周圍內、外壁氧化皮的厚度，取決于短時超溫爆管前長時超溫的程度，長時超溫程度越嚴重，氧化皮越厚。

2.2.5 防止措施 預防短期過熱的方法有改進受熱面，使介質流量分配合理;穩定運行工況，改善爐內燃燒，防止燃燒中心偏離;進行化學清洗;去除異物、沉積物;防止錯用鋼材:發現錯用及時采取措施。

2.3 磨損

2.3.1 失效機理 包括飛灰磨損、落渣磨損、吹灰磨損和煤粒磨損。以飛灰磨損為例進行分析。飛灰磨損是指飛灰中夾帶SiO2，FeO3，Al2O3等硬顆粒高速沖刷管子表面，使管壁減薄爆管。

2.3.2 產生失效的原因 ①燃煤鍋爐飛灰中夾帶硬顆粒;②煙速過高或管子的局部煙氣速度過高(如積灰時煙氣通道變小，提高了煙氣流動速度;③煙氣含灰濃度分布不均，局部灰濃度過高。

2.3.3 故障位置 常發生在過熱器煙氣入口處的彎頭、出列管子和橫向節距不均勻的管子上。

2.3.4 爆口特征

①斷口處管壁減薄，呈刀刃狀;②磨損表面平滑，呈灰色;③金相組織不變化，管徑一般不脹粗。

2.3.5 防止措施 通常采用減少飛灰撞擊管子的數量、速度或增加管子的抗磨性來防止飛灰磨損，如:通過加屏等方法改變流動方向和速度場;加設裝爐內除塵裝置;杜絕局部煙速過高;在易磨損管子表面加裝防磨蓋板。還應選用適于煤種的爐型、改善煤粉細度、調整好燃燒、保證燃燒完全。

2.4 腐蝕疲勞(或汽側的氧腐蝕)

2.4.1 失效機理 腐蝕疲勞主要是因為水的化學性質所引起的，水中氧含量和pH值是影響腐蝕疲勞的主要因素。管內的介質由于氧的去極化作用，發生電化學反應，在管內的鈍化膜破裂處發生點蝕形成腐蝕介質，在腐蝕介質和循環應力(包括啟停和振動引起的內應力)的共同作用下造成腐蝕疲勞爆管。

2.4.2 產生失效的原因 ①彎頭的應力集中，促使點蝕產生;②彎頭處受到熱沖擊，使彎頭內壁中性區產生疲勞裂紋;③下彎頭在停爐時積水;④管內介質中含有少量堿或游離的二氧化碳;⑤裝置啟動及化學清洗次數過多。

2.4.3 故障位置 常發生在水側，然后擴展到外表面。過熱器的管彎頭內壁產生點狀或坑狀腐蝕，主要在停爐時產生腐蝕疲勞。

2.4.4 爆口特征

①在過熱器的管內壁產生點狀或坑狀腐蝕，典型的腐蝕形狀為貝殼狀;②運行時腐蝕疲勞的產物為黑色磁性氧化鐵，與金屬結合牢固;停爐時，腐蝕疲勞的產物為磚紅色氧化鐵;③點狀和坑狀腐蝕區的金屬組織不發生變化;④腐蝕坑沿管軸方向發展，裂紋是橫斷面開裂，相對寬而鈍，裂縫處有氧化皮。

2.4.5 防止措施 防止氧腐蝕應注意停爐保護;新爐起用時，應進行化學清洗，去除鐵銹和臟物，在內壁形成一層均勻的保護膜;運行中使水質符合標準，適當減小PH值或增加鍋爐中氯化物和硫酸鹽的含量。

2.5 應力腐蝕裂紋

2.5.1 失效機理 這是指在介質含氯離子和高溫條件下，由于靜態拉應力或殘余應力作用產生的管子破裂現象。

2.5.2 產生失效的原因

①介質中含氯離子、高溫環境和受高拉應力，這是產生應力腐蝕裂紋的三個基本條件;②在濕空氣的作用下，也會造成應力腐蝕裂紋;③啟動和停爐時，可能有含氯和氧的水團進入鋼管;④加工和焊接引起的殘余應力引起的熱應力。

2.5.3 故障位置 常發生在過熱器的高溫區管和取樣管。

2.5.4 爆口特征

①爆口為脆性形貌，一般為穿晶應力腐蝕斷口;②爆口上可能會有腐蝕介質和腐蝕產物;③裂紋具有樹枝狀的分叉特點，裂紋從蝕處產生，裂源較多。

2.5.5 防止措施 防止應力腐蝕裂紋應注意去除管子的殘余應力;加強安裝期的保護，注意停爐時的防腐;防止凝汽器泄漏，降低蒸汽中的氯離子和氧的含量。

3 結論

造成大型電站鍋爐過熱器爆管的原因很多，只有對過熱器爆管的直接原因和根本原因進行綜合分析，才能從根本上解決鍋爐爆管問題，有效地防止鍋爐過熱器爆管事故的發生。