淺析再熱器微量噴水減溫器管道焊縫泄漏成因及處理

鄧又云

（廣東省湛江電力有限公司，廣東 湛江 524099）

1 鍋爐設備介紹

湛江發電廠#3鍋爐為東方鍋爐有限公司生產的GD1025/18.2-Ⅱ型、亞臨界壓力參數、一次中間再熱、單汽包、自然循環、單爐膛、平衡通風、尾部雙煙道、固態排渣、煤粉汽包爐，再熱蒸汽溫度的調節以尾部擋板調節方式為主，配以事故噴水和微量噴水為輔。

2 爆管情況

2009年4月16日，某電廠運行人員發現3號鍋爐右側過熱、再熱蒸汽出口管處保溫鋁皮吹損脫落，并有泄漏聲音。當時爐側再熱器減溫水投入量過大，減溫器出口氣溫過低，后利用煙氣擋板進行再熱蒸汽溫度調節，停止再熱器減溫水投入，泄漏聲減弱。停爐后，對3號鍋爐進行現場檢查，發現開裂泄漏部位為低溫再熱器至高溫再熱器右側導氣管減溫器后彎頭下焊口直管段，即3號鍋爐微量噴水減溫器右側彎頭下焊口爆管，爆口開裂長度約550mm，只有 1條裂縫，如圖 1（a）所示。開裂部位在彎頭下焊口直管段的內坡口退刀槽處，檢查發現退刀槽處沒有圓滑過渡，出現高度為1～2mm的臺階，直管段內壁也出現網狀裂紋（如圖1（b）所示），彎頭內壁有少量裂紋（如圖1（c）所示），現場已打磨消除。現場保留的直管段在打磨時其內壁也發現存在網狀裂紋，經打磨，其深度小于2mm。擴大檢查，發現裂紋范圍較大，離坡口500mm還存在網狀裂紋，深度有2mm左右（如圖1（d）所示）。

3 泄露原因分析

3.1 噴水減溫的影響

圖1 某電廠3號鍋爐管道爆裂情況

表1 3號鍋爐微量噴水系統試驗結果

#3爐再熱蒸汽溫度的調節主要依靠尾部雙煙道煙氣擋板，將低溫再熱器至高溫再熱器的左右導汽管道上的微量噴水減溫器作為微調設備，并調節左右側汽溫偏差。另外，低溫再熱器進口管道上設有事故噴水減溫器，由于實際運行中采用煙氣擋板調節再熱蒸汽溫度存在滯后現象，因此也將微量噴水減溫器作為再熱蒸汽溫度偏高時的一種重要調節設備。

再熱蒸汽減溫水通過給水泵中間級抽取，溫度約160℃，而低溫再熱器出口蒸汽溫度約470℃，因此在正常運行情況下，導汽管壁溫度為470℃左右。由于2期工程的鍋爐微量噴水減溫器筒體較短，為4.182m（1期工程的鍋爐微量噴水減溫器筒體長度為6m），雖已改用多孔噴嘴，但當大量的減溫水瞬間噴入時，從噴嘴至減溫器后彎頭的行程較短，減溫水的霧化和混合很難達到理想狀況，這樣，減溫器后彎頭及下焊口的外弧側受到較低溫度介質的熱沖擊，導致該范圍管道的內壁溫度突然降低，產生較大的內外壁溫差，并伴隨較大的熱應力。隨著微量噴水減溫器的頻繁投入，不斷產生和積累熱疲勞損傷，繼而引起熱疲勞裂紋的萌生和發展。因為熱應力在管壁表面是雙向受拉和雙向受壓交替進行的，所以一般管殼部件內外壁交變溫差造成的熱疲勞裂紋形貌為網狀或叢狀。3號鍋爐微量噴水減溫器后彎頭與直管的大部分內壁裂紋正符合這種形貌特征。

3.2 彎頭焊縫處結構的影響

對割下的彎頭進行宏觀檢查，發現開裂部位為彎頭下焊口直管段的內坡口退刀槽處，退刀槽局部沒有圓滑過渡，出現1～2mm高度的臺階。另外，通過觀測端部形狀，發現內坡口削薄段存在形狀不規則、直段和斜段過渡不連續的現象，這些缺陷的存在增大了該部位的應力水平。退刀槽處還向壁厚方向凹進，減小了該處壁厚（最小壁厚約19mm），降低了該處的承載能力，同時壁厚差也造成焊口兩側部件的剛度差異較大，使連接部位的附加應力增大。

3.3 微量噴水減溫器存在明顯的缺陷

試驗結果分析:3號鍋爐微量噴水系統參數:負荷238MW，主蒸汽流量788t/h，再熱蒸汽流量計算值655t/h，進口再熱蒸汽壓力2.81MPa，出口再熱蒸汽壓力2.72MPa，減溫水壓力8.7MPa，減溫水溫度163℃。A、B側微量噴水系統分別有1個電動門和1個調節門，正常運行時電動門全開，調節門用于調節微量噴水后的蒸汽溫度和出口再熱蒸汽溫度。微量噴水系統試驗結果（見表1）表明，A側調節門存在流量約5.4t/h的泄漏，B側調節門無泄漏。

由表1可知，在238MW負荷下，當A側電動門打開、調節門關閉時，表盤減溫水流量為5.4t/h，減溫前后蒸汽溫度下降26℃；電動門打開前后出口再熱蒸汽溫度下降20℃。通過熱平衡計算得到的減溫水流量約5t/h，與表盤的減溫水流量接近，表明表盤的減溫水流量有一定的參考意義，減溫后充分混合的蒸汽溫度應為454℃，減溫幅度為18℃。

從上表可以得出:a.3號鍋爐A側僅調節門的泄漏量就達到約5t/h，占主蒸汽流量的0.6%，占該側再熱蒸汽流量的1.5%，減溫幅度已經達到18℃。b.減溫水流量為5t/h時，減溫后表盤蒸汽溫度為446℃，計算混合蒸汽溫度應為454℃，兩者相差8℃，表明彎頭前噴入的減溫水與再熱蒸汽未能充分均勻混合，但溫度偏差不大。當A側調節門開度小于4.8%時，減溫后蒸汽溫度沒有明顯變化；當調節門開度為5.0%時，表盤減溫水流量從7.0t/h直接變為10.2t/h，減溫后蒸汽溫度急劇下降至300℃以下，延遲一定時間后出口再熱蒸汽溫度也開始下降；為防止再熱蒸汽溫度降低過多，在關閉調節門的過程中，調節門開度從3.4%變為3.2%時，減溫水流量則從10.2t/h降至6.9t/h，減溫后蒸汽溫度迅速回升，延遲一定時間后再熱出口蒸汽溫度也回升。對B側的調節門試驗也有同樣的結果，即B側調節門開度從2.4%變為2.6%時，減溫后蒸汽溫度急劇下降；在關閉調節門過程中，調節門開度從1.7%變為1.5%時，減溫后蒸汽溫度才開始回升。

試驗結論:a.當減溫水流量達到約10t/h時，減溫后蒸汽溫度急劇下降，表明此時的減溫水霧化和混合很差。減溫器后的蒸汽壓力約2.77MPa，蒸汽溫度為270～290℃，比飽和溫度（229.5℃）稍高，噴入的減溫水只完成了汽化和初始過熱過程，少部分減溫水還沒有汽化即進入彎管。經計算，流量為10t/h的減溫水與溫度為473℃的再熱蒸汽（238MW負荷下，流量為328t/h）均勻混合后的蒸汽溫度應為437℃，實際減溫幅度應為36℃。在同樣的管道長度下，噴水流量從7.0t/h增至10.2t/h，汽溫變化如此劇烈，說明減溫水霧化出現問題。割下的直管段中外弧側和內弧側內表面出現的氧化層說明外弧側存在水沖擊現象。b.現有的微量噴水調節門和微量噴水減溫系統無法實現減溫水的連續調節。試驗發現，調節門開度變化0.2%即引起減溫水的大幅變化，無法實現微量噴水的連續調節，這是彎頭承受頻繁交變應力的結果。由于調節門和噴水系統的缺陷，再熱蒸汽溫度要么過高，要么偏低過多，使彎頭頻繁交變應用，且可能存在部分水沖擊。

噴水減溫的有關計算:通過熱平衡計算，在238MW負荷下，主蒸汽流量為788t/h，單側再熱蒸汽流量約328t/h，噴水前蒸汽溫度473℃，微量噴水流量與減溫幅度的關系曲線如圖2所示。即要對出口蒸汽溫度實現10℃以內的微調，微量噴水流量不能超過3t/h；當單側微量噴水流量達到10t/h時（占主蒸汽流量的1.27%，占該側再熱蒸汽流量的3.0%），即使霧化和混合均非常好，減溫后蒸汽溫度和出口蒸汽溫度的變化也將超過35℃。由于噴入一部分水后，再熱蒸汽流量增加，在相同吸熱量下，出口蒸汽溫度下降幅度略大于減溫后蒸汽溫度的下降幅度。

出口蒸汽溫降的關系:同樣的減溫水量，噴在不同位置對蒸汽溫度的影響是不一樣的。如圖3所示，相同的減溫水量，事故噴水減溫器的減溫幅度要小于微量噴水減溫器的減溫幅度，而對出口再熱蒸汽溫度的影響兩者則接近，但事故噴水減溫器的調節時間會比微量噴水減溫器長，因為低溫再熱器進口汽溫的變化引起高溫再熱器出口汽溫變化顯然比微量噴水調節需要更長的時間。

若在過熱器的三級減溫處噴入同樣的減溫水量，過熱蒸汽溫度的波動幅度明顯比再熱蒸汽的溫度波動幅度小，這是因為此時的減溫水量占過熱蒸汽量的比例減小，同時過熱蒸汽減溫水壓力（16.9MPa）與過熱蒸汽壓力(15.7MPa)之間的壓差明顯小于再熱蒸汽減溫水壓力（8.7MPa）與再熱蒸汽壓力（2.8MPa）之間的壓差，使得過熱蒸汽減溫水流量易于控制。

圖3 238MW負荷下不同的噴水位置對蒸汽減溫幅度和出口蒸汽溫降幅度的影響

綜合以上分析，導致3號鍋爐微量噴水減溫器右側彎頭開裂原因可歸結為:（1）調節再熱汽溫手段不佳。3號鍋爐再熱蒸汽溫度的調節以尾部擋板調節方式為主，但實際運行中煙氣擋板調節方式有較大的滯后性，調節靈敏度差，使用不充分，增大了微量噴水流量，煙氣擋板調節品質需要進一步提高。作為輔助手段的微量噴水減溫器和微量噴水調節門存在缺陷，造成蒸汽溫度大幅波動，使得彎頭及前后直管承受交變應力。除非停用微量噴水，否則存在部分水沖擊的可能。（2）檢修工藝質量差。原始管段（機組安裝時）的彎頭下焊口直管段的內坡口退刀槽沒有圓滑過渡，出現1～2mm高度的臺階，該部位為整個管系的薄弱環節，同時，沒有圓滑過渡、形狀不規則、直段和斜段過渡不連續等形狀缺陷增大了該部位的應力水平。在微量噴水引起的交變熱應力作用下，最終在最薄弱的退刀槽處產生裂紋和泄漏。（3）設備設計結構不合理。微量噴水減溫器混合段較短，造成減溫水沒有充分汽化就流經后部彎頭，彎頭及下焊口因溫差大而產生熱應力。暴露了微量噴水減溫器混合段設計不合理的問題。

設備缺陷對運行方式的影響:因3號機組高壓加熱器退出運行，導致過熱、再熱蒸汽溫度偏高，過熱減溫水調節門基本全開，再熱器側煙氣擋板不能關太小，再熱器減溫水量較大。暴露了3號機組高壓加熱器設備維護不到位問題。

4 預防措施

4.1 運行人員應嚴格執行運行規程的規定。3號鍋爐再熱蒸汽溫度的調節應以煙氣擋板調節方式為主，盡量少用微量噴水調節方式變化應提前做出預判，以便對再熱氣溫設法投入尾部擋板來自動調節再熱蒸汽溫度，以減少微量噴水用量。

4.2 提高檢修工藝。打磨消除減溫器后彎頭焊口處退刀槽臺階，使之圓滑過渡，（這一做法應嚴格要求于其他熱力系統的高溫高壓管道中）避免熱應力的集中，并加強微量減溫器噴嘴、內套筒和低溫再熱器至高溫再熱器蒸汽導管的內窺和監督檢查。

4.3 加強對高壓加熱器設備的檢修和運行維護管理。確保高壓加熱器的正常投入，盡量保持過熱、再熱蒸汽溫度的相對穩定。

4.4 建議改進微量噴水減溫器及其管系結構。使減溫水在經過彎頭前能充分汽化，避免出現減溫器后彎頭及下焊口外弧側與內弧側溫差過大的問題。

4.5 建議對現有的微量噴水調節門進行重新選型。通過更換新型號的微量噴水調節門，特別是使用適用高壓才差的調節門來實現減溫水的連續調節，減少減溫器后彎頭承受頻繁交變應力和水沖擊的發生。

[1]麥劍，范華挺.微量噴水減溫器管道泄漏原因分析和處理[J].廣東電力，2011.