鍋爐“四管”爆漏的原因分析及預防探討

薛建立

摘要：鍋爐“四管”是指水冷壁管、過熱器管、省煤器管和再熱器管，鍋爐“四管”由于種種原因發生的爆漏問題給熱電廠帶來了嚴重的損失。本文立足鍋爐“四管”爆漏的原因，分析預防鍋爐“四管”爆漏的措施，希望能為熱電廠的正常運行貢獻力量。

關鍵詞：鍋爐“四管” 爆漏原因 預防措施

隨著經濟全球化的發展，我國的科技和經濟實力顯著增強，我國的熱電廠在處理鍋爐“四管”爆漏的問題上已取得了前所未有的進展，為進一步提升我國鍋爐“四管”的使用壽命，節約熱電廠運行的成本，對我國熱電廠在運行過程中的鍋爐“四管”的爆漏問題的原因分析和預防措施的提供尤為必要。

1 鍋爐“四管”爆漏的原因分析

造成鍋爐“四管”爆漏的原因是多方面的，這些原因導致的鍋爐“四管”爆漏的危害也不盡相同。具體來說，鍋爐爆漏的原因可以歸納為以下幾個方面：

1.1 高溫過熱 鍋爐高溫段過熱器管和再熱器管長期處于高溫過熱狀態導致的爆漏問題是鍋爐“四管”爆漏的主要問題。從歷年記錄的鍋爐“四管”爆漏的原因數據可以看出，由于金屬處于高溫狀態而導致的鍋爐“四管”的爆漏所占的比重高達百分之三十五，高溫過熱是爆漏的主要原因。

過熱器和再熱器是鍋爐承壓受熱面中工質溫度和金屬溫度最高的部件，而汽側換熱效果又相對較差，所以過熱現象多出現在這兩個受熱面中。受熱面過熱后，管材使用溫度超過該金屬允許使用的極限溫度，使金屬發生內部組織變化，降低了管材的許用應力，管子在內壓力下產生塑性變形，使用壽命明顯降低，最后導致超溫爆破。

高溫過熱導致的鍋爐“四管”的爆漏有兩種，長期過熱和短期過熱，但兩種爆漏管道又有一定的相似性。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。長期超溫爆管主要發生在高溫過熱器的外圈和高溫再熱器的向火面。長期過熱爆管的破口形貌，具有蠕變斷裂的一般特性，管子破口呈脆性斷口特征，爆口粗糙，邊緣為不平整的鈍邊，爆口處管壁厚度減薄不多。

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。短期過熱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。爆口塑性變形大，管徑有明顯脹粗，管壁減薄呈刀刃狀；一般情況下爆口較大呈喇叭狀；爆口呈典型的薄唇形爆破；爆口的微觀為韌窩（斷口由許多凹坑構成）；爆口周圍管子材料的硬度顯著升高；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。

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圖1

具體來說，發生短期受熱爆漏時，因為管內水汽和水的比重分布不均；鍋爐部分區域受熱強度過大；管道內部流通不暢等。管內水汽和水的比重分布不均使得鍋爐的正常運行受阻，由于運行不暢導致的鍋爐的管道爆漏是熱電廠爆漏事故中發生頻率較高的事件。鍋爐部分區域受熱強度過大，使得鍋爐管道的材質由于受熱超過材質的正常受熱范圍而發生的材質應力的下降，管道發生變形而爆漏。管道內部流通不暢的原因是多方面的，例如水流內部富含的礦物質在長期加熱的過程中形成水垢，堵塞管道，使得管道運行的流暢度受阻。

某電廠鍋爐為WGZ1004/18.34-1型， 2012年2月7日高溫過熱器爆管緊急停機，檢查發現A側第一排從外圈至內數第五圈爐前入口管，距底部彎頭約2米處迎風面呈現喇叭狀爆口，如圖2所示。該管從爆口處折彎并向爐后甩出約2米，將內側第6、7、8圈底部彎頭上方擠壓變形，爆口附件約四根管子表面吹損減薄。該管段材質為SA213-T91，規格為Φ54×8。

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停爐后，取該管及相鄰第六圈入口管共2根管子，進行了相應的試驗分析。從試驗結果分析得知，管樣的化學成分符合標準要求，爆口邊緣較為鋒利，爆口處明顯脹粗，管壁厚度沿圓周方向至爆口邊緣均勻減薄，呈現明顯的塑性，符合短時過熱爆管特征。從金相組織及力學性能分析來看，爆口組織劣化嚴重，碳化物析出并長大，爆口附近分布著密集的縱向細裂紋，在高溫蒸汽及煙氣的作用下，管子內外壁有氧化皮生成，力學性能明顯下降，這些均為長時高溫運行特征，說明管子在爆管前曾出現長期高溫運行狀態。在隨后的清潔度檢查中發現，管子內部存有異物，造成管子內介質流量減小，管子壁溫上升，使管子在高溫下的環向應力超過其材料本身強度而發生爆管，爆管產生的直接原因為管路堵塞造成短時超溫。

在長期的實際工作中，還發現了由于管材和焊接的原因造成的過熱損壞。第一類為管材質量較差或者錯用管材。第二類為管材的焊接質量較差。管材質量較差是指管材本身的層次較多，管材母體中含有大量的雜質，這兩個方面的原因使得管材的強度減弱，在長期高溫的作用下，發生膨脹導致管道爆漏。

2014年新疆某電廠#2機組（30萬千瓦）運行中主蒸汽門前疏水管道爆裂，機組被迫停機。經初步檢查分析原因為基建期用錯管材，造成設備損壞。原設計管材為12Cr1MoV，實際使用的為20#碳鋼。

管材的焊接質量較差是指管材在制造和維修的過程中，由于焊接質量不過關，焊縫中存在較多的氣泡、雜質和焊瘤，這些缺陷造成管道與管道相接的部位相對脆弱，當溫度升高，管道的這些部位會隨著拉伸力到達一定程度時，管道的焊縫熔合處因存在大量粗大的魏氏組織和非金屬類雜質而致使管道爆裂。

1.2 磨損減薄 據不完全統計，磨損造成的鍋爐“四管”的爆漏問題占總爆漏問題的比重為百分之二十五，是僅次于高溫過熱的重要爆漏原因。

通常情況下，磨損爆漏有兩種屬性，第一種屬性為飛灰磨損，第二種屬性為機械磨損。在這兩種屬性的磨損過程中，飛灰磨損占據主導地位，但是機械磨損亦是不可忽視的引發磨損爆漏的原因。

飛灰磨損主要發生在鍋爐尾部受熱面，尤其是低溫再熱器、省煤器管的磨損引起的爆漏問題。由于其所處的位置關系，煙氣溫度較低，煙氣中的飛灰顆粒隨著溫度的降低硬度逐漸變大，飛灰對其不斷的沖刷，管子的沖刷磨損十分嚴重，在這種情況下，這些部位的管排磨損嚴重，應當引起足夠的重視。

飛灰對受熱管道的磨損主要發生在第二、第三兩排。受熱管道的排與排之間是交叉配置的，第一排管充當的是過渡管的作用，其煙氣運轉速率相對較低，飛灰對管道的沖擊和摩擦力相對較小。第二、第三兩排管是受熱管道主力軍，其煙氣運轉速率的提高因布置管道使得煙氣流通橫截面積減小。這兩個方面的原因使得管道受飛灰的撞擊和摩擦度增加，管道在長期的磨損中出現變薄和管道爆漏的問題。此外，受熱管道較為曲折的部位也是管道爆漏的高發地段。由于燃煤中的含灰量較高，燃煤在通過受熱管道的曲折部位時，受離心力使然，飛灰在管道曲折處容易出現堵塞或撞擊管道的問題，受這種情況的影響，管道的使用壽命較短。

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某電廠1號鍋爐型號為WGZ2080/17.51-1，于2007年1月7日投產，2012年5月4日，標高20米處水冷壁處有輕微泄漏聲，#1機組停運。停機后檢查，發現#2角底部靠后墻從里往外數第7根管彎頭處向火面有兩個尺寸約1mm左右的漏點，發生泄漏的水冷壁管材料為SA-

210A-1。泄漏部位及周圍的宏觀形貌如圖4所示。

從現場情況看，水冷壁管泄漏點有明顯的沖刷磨損痕跡，漏點及周圍管壁減薄嚴重，屬于明顯的受沖刷減薄后爆破所致。當水冷壁彎管上面的不銹鋼擋風板被帶灰的熱二次風（熱二次風從空預器帶出大量飛灰）沖刷減薄后，熱二次風直接對水冷壁管沖刷，造成水冷壁管逐漸磨損減薄，最終發生泄漏。

由于噴燃器附近的水冷壁讓位管完全裸露在噴燃器的周圍，二次風通過噴燃器周圍的間隙直接沖刷在水冷壁讓位管表面。燃燒器噴口側邊與水冷壁之間為較長的矩形煙氣通道，同時由于夾隙處容易形成“煙氣走廊”，使得噴燃器與水冷壁間隙出口風速急速增加，加劇二次風沖刷磨損水冷壁管壁。此次水冷壁泄漏是熱二次風道底部角部進來的熱二次風吹損所致。熱二次風從風道內行進到噴口前時，通流面積相對變小，風向發生急劇偏轉，容易在角部區域輕微節流并做旋流運動，造成該區域管子磨損加劇。

機械磨損是發生在“四管”固定裝置失效，管排擺動、振動而引起交叉布置的管道互相摩擦的部位。機械磨損在經過長時間互碰磨擦而造成的承壓管道減薄爆漏，這種磨損造成的爆漏問題較其它原因造成的爆漏問題更加難于發現，但是其一旦爆漏，同樣會嚴重影響熱電廠的安全運行。

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1.3 其他原因（腐蝕、應力） 鍋爐“四管”還會遇到腐蝕和應力的破壞。

對鍋爐爐內管來說，腐蝕分為內部腐蝕和外部腐蝕。內部腐蝕主要來自于汽水中的雜質及氧化物。外部腐蝕又分為高溫腐蝕和低溫腐蝕。

高溫腐蝕又稱為煤灰腐蝕，是指高溫積灰所生成的內灰層含有較多的堿金屬，它與飛灰中的鐵鋁等成份以及煙氣中擴散進入的氧化硫長時間化學作用便生成了堿金屬的硫酸鹽等復合物。融化或半融化的堿金屬硫酸鹽會與管子金屬發生強烈的氧化反應，使壁厚減薄難以克服應力引起管子的變形和爆管。

某電廠鍋爐型號為DG-2102/25.4-Ⅲ，2012年12月15日，檢查發現#2爐30米處水冷壁中間爐衣內有蒸汽冒出，確認為#2爐左側墻標高28米中間部位螺旋水冷壁發生泄漏，泄漏部件規格為Φ38.1×7.5mm，材料為SA213-T2。

爆管原因：水冷壁管子泄漏點形貌如圖6所示，三根水冷壁存在多處泄漏點，其中一根水冷壁管在其泄漏點上部鼓包開裂，開裂長度約24mm。泄漏水冷壁附近留存著較厚的硫腐蝕產物，水冷壁腐蝕后測厚值最低約4.6mm，減薄約2.9mm。從宏觀形貌可見，本次水冷壁泄漏的原因是：螺旋水冷壁高溫硫腐蝕減薄嚴重，運行壓力超過所能承受的上限造成泄漏，泄漏蒸汽互相吹損造成泄漏點不斷增多。

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通過對左右兩側墻水冷壁進行擴大檢查，腐蝕情況基本類似，標高25～30m范圍內水冷壁腐蝕嚴重，中間腐蝕最重，測量壁厚在4.3～4.6mm，向前后墻方向腐蝕程度有所減輕，距側墻中心2m處測量壁厚4.7～5.2mm。到標高25m側墻水冷壁管壁厚達到5.0mm以上，再向下腐蝕程度逐漸減輕。水冷壁管子受高溫硫腐蝕情況如圖7所示。

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產生嚴重硫腐蝕的原因：機組大修以來，負荷一直較低，上層燃燒器絕大多數時間處于不運行狀態，沒有二次風量投入，且由于摻配煙煤，在中下層燃燒器燃料燃燒速度更快，導致泄漏處的水冷壁管子容易發生高溫腐蝕。

高溫腐蝕對受熱面損害積累時間長，危害面積大，對已發現的腐蝕區域應當采取合理的防范措施，及時控制腐蝕進展，防止發生類似事故。

應力拉裂引起的受熱面泄漏多見于兩種材料焊接或管子的焊口處。

所謂“拉裂”是指在鍋爐經過多次啟停后在管子-管子、管子-密封件、管子-剛性梁連接等部件之間由于熱膨冷縮不同步，位移不同步，又無足夠的補償能力的情況下管子產生的裂紋漏泄。這些部位爐外有保溫層，爐內往往又是管排密集，人員難以預先檢查發現，也很難裝設監測設備。

避免管子-管子如過熱器管排夾持管、定位管、屏間屏內焊接管等在設計上應考慮加裝“過渡板”，避免管子與管子直接接觸；管屏爐外部分，管子之間不必焊接，使管子有一定的補償能力，“過渡板”與管子間的連接焊縫，應不等強，即焊接高度應略低于管子壁厚。

管子-密封件處的拉裂主要發生在過熱器、再熱器的穿墻管處，水冷壁、包墻管與鰭片連接末端等。這個問題主要應在設計階段和安裝期間解決，要把鍋爐的支吊裝置，鍋爐膨脹死點、膨脹方向、膨脹量考慮清楚，要有自我補償能力。

管子-剛性梁之間的拉裂，在現代大型鍋爐的爐膛及尾部都裝有剛性梁，剛性梁通過過渡部件與管子連接，剛性梁是鍋爐的重要部件，它確保鍋爐整體形狀及剛性，在鍋爐內爆或外爆時，保護鍋爐不受損傷。所以必須搞清楚鍋爐各個部位的剛性梁及鍋爐膨脹系統的設計構想，管子與剛性梁之間的膨脹“死點”及膨脹方向。管子與剛性梁之間的連接件應完好，不應有開裂，嚴重變形及卡阻現象；剛性架內側與管子之間的空隙要充填隔熱材料，以防剛性梁內側受熱產生彎曲變形，產生附加應力。“拉裂”引起的漏泄所占比例較大，應認真檢查減少“拉裂”漏泄，預防拉裂主要是消除應力集中現象。

2 預防鍋爐“四管”爆漏的有效措施

從上文的分析可以看出，預防鍋爐“四管”發生爆漏的有效措施為減小鍋爐“四管”的受熱強度和磨損強度，但由于熱電廠的職能為提供熱量和電能，在其連續不斷運轉的過程中，鍋爐“四管”的受熱強度和磨損強度得不到有效的降低。那么既要保證供電供熱的安全長周期運行，又要保證“四管”的受熱及磨損可控，才能解決好“四管”的爆漏問題。要預防鍋爐“四管”的爆漏問題，需要采取以下幾個方面的措施：

2.1 運行管理 ①防止鍋爐四管泄漏，要規范操作，強化運行參數控制和管理。良好的運行狀態可以保證鍋爐的使用壽命，應當嚴格按照廠家提供的啟停參數曲線控制升溫升壓速度，防止短期超溫，杜絕長期超溫。對燃燒偏斜，煙溫差大等現象應引起足夠重視。運行中如果出現燃燒控制不當、火焰后移、爐膛出口煙溫高或爐內熱負荷偏差大，燃燒不完全引起煙道二次燃燒，減溫水投停不當、管內結垢等情況，也會造成受熱面過熱。加強運行調整和監視，控制管壁超溫是預防過熱的主要措施。②強化化學監督。加強化學監督，做到嚴格執行《火力發電廠水、汽監督規程》，水汽質量的各項監督指標的合格率應達到95%以上。化學監督人員應按時通知并做好鍋爐的排污加藥等工作。保證鍋爐汽水品質的良好。③加強煤質管理。目前電煤市場變化較大，入廠煤質變化較大，加之摻配煤工作存在不足，當燃用煤種偏離設計煤種較多時，應及時制定燃用新煤種的措施，針對新煤種的變化的硫分、揮發分以及灰分采取相應對策，減少高溫腐蝕及飛灰磨損對鍋爐四管的影響。

2.2 檢修管理 防止鍋爐四管泄漏，要規范檢修管理，認真做好鍋爐檢修過程的四管防磨檢查，做到大、小修全面檢查，臨修臨停重點查，“逢停必檢，疏防結合”。對發現的問題及時處理并做好記錄，分析原因并制定措施，根據分析趨勢提前布置防磨工藝措施。要堅持“趨勢分析，超前控制，重在檢查”的原則。要將“預測”和“檢查”有機地結合起來。通過檢查，掌握規律，從而預測四管的劣化傾向、檢查重點、修理方法。通過預測，指導檢查，總結經驗，進一步提高管理水平和技術水平。

2.2.1 加強防磨防爆工作。①嚴格執行防磨防爆管理制度，重要缺陷處理，必須制定技術方案，經批準后組織實施。②檢查受熱面管排排列整齊，管距均勻。檢修時變形的管排必須恢復原位，原有的管架、定位裝置必須恢復正常。出列的管子應檢查原因，向外鼓出超過管徑時應采取措施，并再恢復原位。③尾部煙道側管排的防磨罩和中隔墻、后墻處的防磨均流板應結合停爐進行檢修，必要時更正，凡脫落、歪斜、鼓起、松動翻轉、磨穿、燒損變形的均更換處理。④檢修中應徹底清除殘留在受熱面上的焦渣、積灰以及遺留在受熱面的檢修器材、雜物等。⑤加強鍋爐本體、煙道、人孔、看火孔等處的堵漏工作，同時消除漏風形成的渦流所造成的管子局部磨損。⑥加強吹灰器管理，防止吹灰器泄漏吹損受熱面管子。⑦注重人員培訓，多與其他兄弟單位交流，學習，對各種案例分析透徹，及時應用到各設備中，舉一反三，提升成員技術水平，開拓工作思路等。⑧對易被沖刷的受熱面管壁采用噴涂等形式進行防磨處理，可有效延長鍋爐四管使用壽命。

2.2.2 加強金屬監督管理。①對鍋爐用鋼管進行100%光譜檢驗。②對制造和安裝焊口定期進行無損檢驗和抽查。③對“四管”進行定期的割管金相和化學檢驗。

2.3 材料管理 ①新進的鍋爐用管材入庫前應進行檢查（包括外徑、壁厚偏差、管內外有無裂紋、銹蝕等，對合金鋼還應進行100%光譜復檢）；②焊接材料（焊條、焊絲、鎢棒、氬氣等）應符合國家及有關行業標準，質保書、合格證齊全，并經驗收后方準入庫；③管材、焊接材料的存放、使用，必須按規定嚴格管理，標識清晰，防止存放失效或錯收、錯發；④檢修用管材、焊絲應全部進行光譜確認。焊工必須持證上崗，焊前應進行焊接工藝評定，焊接時嚴格執行焊接工藝。焊口進行100%無損探傷。

此外，鍋爐發生爆漏后，焊縫的質量也是影響鍋爐“四管”運行狀態的主要因素，提高焊縫的質量也是預防鍋爐“四管”出現爆漏的一個有效措施。

3 結束語

本文是對鍋爐“四管”發生爆漏的原因和預防措施的分析與探討，從文章的分析中可以看出，鍋爐“四管”發生爆漏的原因主要是高溫過熱和磨損，針對這兩個方面的原因，文中從整體上提出了一些預防措施，希望文中的觀點能為我國熱電廠鍋爐的正常運轉做出貢獻。

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