某鍋爐減溫器故障引發(fā)的事故原因分析及處理

趙志潤，唐忠鳳（臨滄市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南臨滄 677000）

某鍋爐減溫器故障引發(fā)的事故原因分析及處理

趙志潤，唐忠鳳
（臨滄市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南臨滄 677000）

通過一臺鍋爐因減溫器故障引發(fā)過熱器頻繁爆管事故的檢查與分析，認(rèn)為減溫器設(shè)計容量偏大、內(nèi)部構(gòu)件不合理、運行中冷卻水流量過小 、溫度過低是導(dǎo)致減溫器支撐件失效、冷卻水管斷裂、螺旋管泄露的原因；通過對減溫器全面檢驗檢測，更換高溫過熱器和減溫器芯管，減小減溫器容量等有效的處理措施，保障了減溫器安全運行。

減溫器；冷卻水管；鍋爐故障

0 引言

減溫器工作環(huán)境惡劣，容易發(fā)生故障。臨滄市某糖廠一臺WDLC100/3.82-1型蔗渣鍋爐（額定蒸發(fā)量100t/h，工作壓力3.82MPa，雙鍋筒橫置式布置），2012年12月新裝投入運行，在投入運行不到一年的時間多次發(fā)生因減溫器失效，內(nèi)部構(gòu)件脫落，堵塞蒸汽引出管口，導(dǎo)致高溫過熱器超溫爆管事故；文章就減溫器失效原因進(jìn)行分析。

1　減溫器結(jié)構(gòu)及失效情況

該鍋爐過熱器為立式結(jié)構(gòu)，布置于爐膛出口凝渣管與對流管之間，分高低溫段二級，高溫過熱器材質(zhì)12Cr1MoV，規(guī)格Φ38×3.5mm，單排布置共85組，爆管位于爐膛出口的高溫直段區(qū)域。該減溫器布置于高低溫段過熱器之間，采用螺旋管表面式減溫器，規(guī)格Φ368×25mm，如圖1所示。以鍋爐給水作為冷卻水，經(jīng)加熱后進(jìn)入給水混合集箱供給省煤器；過熱蒸汽從上部引入，下部引出，減溫器兩端采用法蘭端蓋連接，內(nèi)部對稱布置上下兩組φ60×5mm冷卻水管，冷卻水下進(jìn)上出，冷卻水管之間有85個φ18×3的螺旋管與冷卻水管組成減溫器芯子；冷卻水管一端與減溫器法蘭端蓋焊接固定，另一端與支板連接，為防止芯子振動，冷卻水管之間焊接有168塊200×30×4mm的小支撐板。減溫器設(shè)計進(jìn)口蒸汽溫度400.4℃，出口蒸汽溫度346.6℃，冷卻水進(jìn)口溫度105℃，出口溫度135℃。

對減溫器進(jìn)行抽芯檢查時發(fā)現(xiàn)，減溫器芯子破損嚴(yán)重，進(jìn)水管多處橫向斷裂；進(jìn)水管與支板的固定角焊縫整體開裂，連接處完全脫離、移位，支板與護(hù)板連接焊縫開裂、脫離；護(hù)板斷裂；螺旋管出口水平段多處穿孔泄漏；進(jìn)水管與出水管之間焊接的小支撐件60%以上產(chǎn)生變形、彎曲，焊縫開裂，部分支撐件脫落，減溫器失效情況如圖2所示。

2　原因分析

2.1從設(shè)計制造方面分析

2.1.1減溫器容量偏大

減溫器容量選取過大，不僅浪費材料，并且由于冷卻水量過小有發(fā)生汽化的危險，選取過小，會導(dǎo)致過熱器超溫事故。減溫器容量一般取所需減溫量的1.15～1.5倍［2］；該減溫器設(shè)計取100%額定負(fù)荷工況時50%的給水作為冷卻水量，也就是鍋爐滿負(fù)荷時應(yīng)約有50t/h的冷卻水流過減溫器，但運行記錄顯示，該鍋爐滿負(fù)荷運行時最大冷卻水流量僅為21t/h，運行工況與設(shè)計不匹配，減溫器容量設(shè)計偏大，運行過程中存在冷卻水汽化危險。

2.1.2內(nèi)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)不合理

該減溫器進(jìn)水管一端與集箱端蓋焊接固定，中間與隔板焊接固定，另一端與支板焊接固定，支板與護(hù)板、護(hù)板與隔板焊接固定，進(jìn)水管、支板、隔板、護(hù)板之間形成近乎剛性連接；在額定負(fù)荷下，進(jìn)水管的管壁溫度比冷卻水溫度高30～40℃［2］，假設(shè)冷卻水管中水的溫度呈線性變化［4］，按算術(shù)平均可近似求得進(jìn)水管管壁溫度為150℃；此時，支板、護(hù)板、隔板的溫度近似取減溫器內(nèi)進(jìn)出口蒸汽溫度的平均值370℃，進(jìn)水管與支板、隔板、護(hù)板之間約有220℃的溫差，溫度不同，所產(chǎn)生的膨脹量不同，進(jìn)水管產(chǎn)生的膨脹量小于支板、護(hù)板、隔板的膨脹量，當(dāng)膨脹互相限制，產(chǎn)生較大的約束溫差應(yīng)力，在此溫差應(yīng)力反復(fù)作用下，進(jìn)水管、護(hù)板壁厚較薄，容易產(chǎn)生疲勞斷裂，進(jìn)水管與支板連接角焊縫、支板與護(hù)板的角焊縫中承受較大的剪切應(yīng)力，易導(dǎo)致開裂損壞。

冷卻水管之間焊接小支撐板，冷卻水管與小支撐板之間又形成一個剛性結(jié)構(gòu)，出水管在膨脹時受到小支撐板限制，小支撐板又受到進(jìn)水管的限制，進(jìn)出水管之間因冷熱溫差不同所引起的膨脹差不能被螺旋管轉(zhuǎn)化、吸收，完全作用于小支撐板，加之運行過程中因熱交換進(jìn)出水管頻繁發(fā)生振動，小支撐板僅僅點焊在進(jìn)出水管之間，焊接質(zhì)量差，在兩種力共同作用下小支撐件極易產(chǎn)生彎曲變形、焊縫拉裂，最后導(dǎo)致脫落。從現(xiàn)場檢查情況看，正是由于小支撐板脫落，堵塞蒸汽引出管管口，高溫過熱器管內(nèi)蒸汽流量減少，導(dǎo)致超溫爆管事故。

圖1 減溫器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2從運行方面分析

2.2.1冷卻水流量過小到足夠冷卻，運行中需要保持即最小冷卻水流量，最小冷卻化為前提［2］。該臺鍋爐因減溫際運行中，只有通過減少冷卻熱蒸汽出口溫度，司爐工在不水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥門全部關(guān)死，冷，冷卻水極易產(chǎn)生汽化，水管熱蒸汽溫度400℃，一旦需要螺旋管受到冷卻水（105℃）的85℃內(nèi)外壁溫差，對于3.82MPa的中壓鍋爐，此時的溫差應(yīng)力高達(dá)500MPa左右［1］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20#管的屈服應(yīng)力?，F(xiàn)場查看運行記錄顯示，冷卻水經(jīng)常出現(xiàn)零流量記錄，冷卻水流量過小是導(dǎo)致進(jìn)口冷卻水管斷成幾節(jié)的主要原因。且管內(nèi)壁受的是拉伸應(yīng)力，外壁受的是壓縮應(yīng)力，裂紋是由內(nèi)向外擴張的，不裂穿很難發(fā)現(xiàn)。

2.2.2冷卻水溫度偏低

該鍋爐采用鈉離子串級交換軟化，大氣式熱力除氧附加鍋內(nèi)加藥的水處理工藝，水處理工藝及生產(chǎn)工藝相對落后，鍋爐運行時需補充30%左右的軟化水作為鍋爐給水，從運行參數(shù)看，給水溫度經(jīng)常只有70～80℃左右，鍋爐水質(zhì)尤其是給水溫度達(dá)不到設(shè)計105℃的要求，水中的溶解氧無法去除掉，溶解氧含量在3.9～5.4mg/L之間，已嚴(yán)重超出GB/ T12145-2008中≤15μmol/L的要求。從現(xiàn)場情況來看，進(jìn)出冷卻水管內(nèi)有潰瘍狀腐蝕坑，螺旋管穿孔部位內(nèi)大外小并伴有紅褐色的腐蝕產(chǎn)物，是氧腐蝕造成的；冷卻水加熱至102～104℃時，水中的氧就會逸出［3］，若果冷卻水量較小，汽水混合物的流速低于0.4m/s時，水平管中會出現(xiàn)汽水分層現(xiàn)象［2］，氧氣大量聚集在水平管段，螺旋管壁厚較其他部件薄，導(dǎo)致出口水平管段多處腐蝕穿孔。運行過程中如冷卻水發(fā)生汽化，需要減溫時，進(jìn)入減溫器的冷卻水溫度（70～80℃）遠(yuǎn)低于設(shè)計溫度（105℃），加大了冷熱介質(zhì)的溫度差，增大了溫差應(yīng)力，加速進(jìn)出冷卻水管、螺旋管的疲勞破壞。

綜上原因分析，過熱器頻繁爆管是由于減溫器故障，內(nèi)部構(gòu)件脫落，堵塞蒸汽引出管超溫所致；而減溫器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理、設(shè)計容量偏大、運行中冷卻水流量過小 、溫度過低是導(dǎo)致減溫器支撐件失效、冷卻水管斷裂、螺旋管泄露開裂的原因。

圖2 減溫器失效狀況圖

3　處理措施及建議

3.1對減溫器進(jìn)行全面檢驗檢測

為防止因芯管泄露陡然冷卻減溫器內(nèi)壁產(chǎn)生熱疲勞裂紋，對減溫器筒體進(jìn)行內(nèi)外部100%外觀檢查，內(nèi)壁進(jìn)、出管孔內(nèi)區(qū)域特別是芯管泄露對應(yīng)部位進(jìn)行窺鏡檢查和超聲波檢測，外壁接管角焊縫進(jìn)行100%滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)減溫器筒體開裂的情況。

3.2更換爆管的高溫過熱器

因過熱器爆管是由小支撐板堵塞管孔所致，其余過熱器未發(fā)現(xiàn)超溫過熱情況，對爆管的8組過熱器管進(jìn)行更換，采用氬弧焊R31焊絲進(jìn)行焊接，焊接接頭進(jìn)行100%的RT檢測和光譜檢測。

3.3更換減溫器芯管、減少減溫器的容量

減溫器芯管疲勞破損嚴(yán)重，更換全部芯管重新制造安裝。鍋爐廠對減溫器容量重新進(jìn)行設(shè)計計算，確定減少約20%的換熱面積，將原來的85組螺旋管減少為72組，可適當(dāng)增加冷卻水流量。取消進(jìn)出冷卻水管之間的小支撐板，為防止冷卻水管過長振動嚴(yán)重，在支板與隔板之間增加兩道支板，支板與進(jìn)出水管焊接結(jié)構(gòu)改為套合結(jié)構(gòu)。在減溫器上部筒體設(shè)置保護(hù)襯板，防止因減溫器芯子漏水而疲勞破裂。

3.4水壓試驗

修理完工后，減溫器與鍋爐本體進(jìn)行5.25MPa/20min的水壓試驗，未發(fā)現(xiàn)泄露情況。

3.4定期檢查

建議每年定期對減溫器進(jìn)行檢查，定期檢查主要是抽芯外觀檢查和冷卻水管系統(tǒng)水壓試驗，主要檢查內(nèi)部構(gòu)件完好情況及裂紋、磨損情況，對發(fā)現(xiàn)的問題及時處理。

3.5提高冷卻水的進(jìn)口溫度

讓除氧器正常使用，保證冷卻水進(jìn)口溫度達(dá)到105℃。提高冷卻水的進(jìn)口溫度，降低了一定量過熱蒸汽的焓，增大冷卻水的流量，降低冷卻水的出口溫度［1］，可有效避免冷卻水被汽化。

3.6最小冷卻水量

運行過程中需保持最小冷卻水流量，對冷卻水溫度進(jìn)行監(jiān)控，建議增設(shè)冷卻水的溫度監(jiān)控措施及報警裝置，防止冷卻水流量過小發(fā)生汽化疲勞損壞。

［1］ 馬昌華.鍋爐事故防范與安全運行［M］，北京：地震出版社，2000，6.

［2］ 宋漢武. 蒸汽鍋爐減溫器［M］， 北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社；重慶分社1987.3

［3］ 吳金福. 面式減溫器腐蝕原因分析及治理［J］.工業(yè)鍋爐，2007，101 （1）：54-55

［4］ 蔣明星，陳國華，廖景娛.某鍋爐減溫器水管失效原因分析及預(yù)防對策［J］.壓力容器，2010，27（9）：38-41.

［5］ 鄭玉卿，欽峰，楊文龍.面式減溫器筒體內(nèi)壁應(yīng)力分析及裂紋成因探討［J］. 壓力容器，2013，30（5）：53-57.

TK228

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1004-1168（2015）03-0074-03

2015-05-26

趙志潤（1979-），男，本科，工程師，從事特種設(shè)備監(jiān)督檢驗工作。