電廠高壓加熱器熱交換鋼管的檢驗及缺陷分析

劉全喆

摘 要：隨著經濟的發展，推進了我國電力行業獲得了飛速發展。然而在電力行業的發展過程中，高壓加熱器是火力發電廠的重要輔助設備，它的缺陷將嚴重影響機組的安全和經濟運行。本文首先對高壓加熱器泄漏現象及電廠高壓加熱器熱交換鋼管的宏觀檢驗進行了概述，詳細探討了電廠高壓加熱器熱交換鋼管的缺陷，并提出了相應的措施和建議，旨在促進我國電力行業的穩定發展。

關鍵詞：電廠高壓加熱器；熱交換鋼管；檢驗；缺陷分析

回熱加熱系統的運行可靠性和運行性能高低，直接影響整套機組的運行經濟性，加熱器的投入率是經濟指標中重要的一項考核指標。隨著火力發電廠機組向大容量高參數發展，高壓加熱器（以下簡稱高加）承受的給水壓力和溫度相應提高；在運行中還將受到機組負荷突變、給水泵故障、旁路切換等引起的壓力和溫度的驟變，這些都會給高加帶來損害。同時高壓加熱器是給水循環的一個重要組成部分，是利用汽輪機抽汽加熱鍋爐給水的熱交換器，是提高電廠熱經濟性的重要輔助設備。高壓加熱器的故障，不僅是經濟問題，亦涉及汽輪機及鍋爐的安全問題，故應給予高度重視。根據統計，所有報廢和在用高加本身故障中，熱交換管系泄漏事故是最常見的故障，占70%以上，因此除了在高壓加熱器的設計、制造和安裝時必須保證質量外，還要在運行維護等方面采取必要的措施，才能確保高加的長期安全運行。

1 高壓加熱器泄漏現象

高加水位高信號報警，泄漏檢測儀亦報警，另外還有高加端差增大，遠遠高于正常值。由于高加泄漏，水側大量漏入汽側，通過疏水逐級自流入除氧氣，為使汽包水位正常，則給水泵轉速增加，給水流量增大。高加泄漏后，由于傳熱惡化，則造成給水溫度降低。高壓加熱器是利用機組中間級后的抽汽，通過加熱器傳熱管束，使給水與抽汽進行熱交換，從而加熱給水，提高給水溫度，是火力發電廠提高經濟性的重要手段。由于300 MW機組高加水側壓力（20 MPa）遠遠高于汽側壓力（4 MPa），當傳熱管束即U型管發生泄漏時，水側高壓給水進入汽側，造成高加水位升高，傳熱惡化。

高加泄漏后，會造成泄漏管周圍管束受高壓給水沖擊而泄漏管束增多，泄漏更加嚴重，必須緊急解列高加進行處理，這樣堵焊的管子就更少一些，高壓泄漏后，由于300 MW機組高加水側壓力20 MPa，遠遠高于汽側壓力4 MPa，這樣，當高加水位急劇升高，而水位保護未動作時，水位將淹沒抽汽進口管道，蒸汽帶水將返回到蒸汽管道，甚至進入中壓缸，造成汽輪機水沖擊事故。高加停運后，還會使汽輪機末幾級蒸汽流量增大，加劇葉片的侵蝕。高壓加熱器的停運，還會影響機組出力，若要維持機組出力不變，則汽輪機監視段壓力升高，停用的抽汽口后的各級葉片，隔板的軸向推力增大，為了機組安全，就必須降低或限制汽輪機的功率，從而影響發電量。高加泄漏，每次處理順利時需要30 h，系統不嚴密時，則工作冷卻時間加長，直接影響高加投運率的目標。

2 電廠高壓加熱器熱交換鋼管的宏觀檢驗

用氧乙炔火焰分段解剖此高壓加熱器，并進行宏觀檢驗。

a）解剖前的宏觀檢驗

解剖前對高壓加熱器進行宏觀檢驗，發現該報廢高壓加熱器外形良好，管壁厚未見減薄。

b）割開熱交換管彎管部位外壁的宏觀檢查

將該報廢高壓加熱器U形熱交換管彎管部位外壁割開后進行宏觀檢查，發現位于分隔板以上蒸汽凝結區的熱交換管段外觀良好無變形，但管壁上幾乎全部結有黑垢，形成高溫氧化膜，氧化較嚴重，許多部位發生了銹蝕，但保持正常的漆色；位于分隔板以下蒸汽凝結區的熱交換管段外觀良好無變形，顏色還保持了少量的紅漆色，僅有部分黑垢，沒有減薄跡象，分隔板則保持著正常的漆色。

c）割開過熱蒸汽冷卻區外壁管的宏觀檢查

將該報廢高壓加熱器過熱蒸汽冷卻區外壁割開后進行宏觀檢查。在過熱蒸汽冷卻區，熱交換管的外側從過熱蒸汽入口處至蒸汽凝結區均有黑垢，嚴重氧化。在可見到的外3層管排有近40根管子已發生不同程度的泄漏，有的管子已經完全斷裂，有的管子單側爆漏，這些管子均有明顯的減薄現象，剩余壁厚不足1 mm。雖然很多管子沒有出現泄漏，但已出現不同程度的拉伸減薄、直徑變小現象，且所有的缺陷位置基本上集中在隔板下。

d）渦流檢驗

對已解剖側的外3層管排由外向內進行遠場渦流檢測，檢驗方式為每排管數隨機抽檢。渦流檢驗目的在于驗證管排位置與缺陷分布的關系。檢驗結果發現，越外層的管排缺陷管的比例越高，并且缺陷程度越嚴重。

3 缺陷分析

由于高壓加熱器熱交換鋼管產生缺陷的原因復雜多樣，不同類型的高壓加熱器產生缺陷的類型、分布位置、產生原因均不同。具體如下：

（1）缺陷位置比較集中

臥式高壓加熱器熱交換管有缺陷的位置主要集中在過熱蒸汽冷卻區，泄漏管段位于熱交換管的近端口處，集中在過熱蒸汽進口區域的幾個隔板附近。這一點與立式高壓加熱器泄漏管段集中在熱交換管近彎管處（即立式高壓加熱器下部）隔板附近有很大的區別，這與立式高壓加熱器和臥式高壓加熱器的結構有關。

（2）受熱交換管發生劇烈振動、隔板之間發生強烈摩擦的影響

過熱蒸汽冷卻區熱交換管發生劇烈振動與隔板之間發生強烈磨擦是造成管子泄漏的主要原因。管子最終發生破壞的形式有多種。

a）管子多個方向發生劇烈振動，管壁磨損減薄后形成環形凹槽。高溫下，管子受熱卡在隔板處不能自由月彭脹，造成一端在隔板處受阻，另一端受熱應力作用拉伸減薄，產生縮頸，并在應力作用下拉斷。這種情況整根管子完全斷裂，泄漏嚴重。

b）管子一個方向發生劇烈振動，管子單側磨損減薄，當壁厚減薄到一定程度，受管內很高水壓（大于20 MPa）的作用，沖破管壁而發生破壞。

c）管子多個方向發生劇烈振動，管壁磨損減薄后形成環形凹槽。當管子受熱時卡在隔板處不能自由膨脹，造成一端在隔板處受阻，另一端受熱應力作用拉伸減薄，當壁厚減薄到一定程度，受管內很高水壓（大于20 MPa）的作用，沖破管壁而發生破壞。這種情況往往爆口很大，泄漏嚴重。

（3）運行工況及介質的影響

高壓加熱器運行時，來自汽輪機的抽汽，先經過過熱蒸汽冷卻區，冷卻其過熱度，然后進入蒸汽凝結區凝結成疏水，疏水再經過疏水冷卻區，進一步放出熱量。在這個過程中，當高壓加熱器運行時，直接承受高溫蒸汽沖刷最外層的管排振動最劇烈，管壁磨損減薄最嚴重，發生爆管概率就最高。

從宏觀檢查的結果還可知，當最外層的管排發生爆管斷裂后，第二層管排就直接承受高溫蒸汽的沖刷的同時，已爆管的管子，管內給水泄漏，這樣夾雜著疏水的高溫蒸汽對管子的破壞力更強，已爆管的管子的周圍管子和第二層管子很快發生破壞，如此循環，就形成連續破壞。從這次解剖的試驗中了解到，這種破壞方式具有一定的普遍性。

（4）高壓加熱器制造上的問題

被解剖區域是封閉區域，但在里面發現常用工具砂輪片扳手和一個空心金屬短棒，這些物體可以判斷為高壓加熱器制造時留下的，它們會影響管子的正常運行，但無法判斷其影響程度。

（5）不銹鋼金屬墊片可能因意外掉入蒸汽入口或使用中破裂，產生金屬絲，在高壓高溫蒸汽沖擊下，被沖入過熱蒸汽包殼端角處，高速旋轉翻滾，對端角處換熱管產生嚴重的切割和磨損，導致管壁減薄，不能承受內部冷卻水高壓，產生爆管。

（6）局部磨損減薄處產生微小泄漏，屬冷卻水泄漏，但在過熱蒸汽中汽化產生局部汽水兩相，不僅會引起管束強烈震動，還對泄漏處產生嚴重的汽蝕損傷，不斷沖刷和腐蝕金屬表面產生麻點狀缺陷，此類泄漏最初由于水量較小，水位報警不易發現，當缺口增大泄漏嚴重時方能報警。

（7）爆管后，雖然采取了堵管措施，該高加先后封堵過5次，理論上應該爆管趨勢得到控制，但是事實上反而更進一步加劇，排除工藝上壓力波動的可能則說明內部管子不斷被損壞導致不斷破裂。由于未清除金屬絲和爆管產生的管束金屬碎片，使其繼續在包殼內對其他管束產生損傷，其細小碎片進入管束內部，導致受損傷的管束數量不斷增加，造成更大范圍的影響。由于內部管子受到金屬絲切割和摩擦導致的減薄不是立刻形成的（理論計算達到爆破時，管束壁厚需要減薄到0.6-0.7 mm），從現場檢查情況也可以看到許多管子被損傷但未破裂。我們認為是在前幾次堵管后，一些受損傷的管子未泄漏，但由于內部金屬絲未清除，其最小壁厚也不斷向爆破臨界點發展，由于外界壓力的波動，或某根爆管后產生汽水兩相和冷卻水沖擊，導致的連鎖反應，從而造成大量突發的破壞。

（8）在泄漏后，因局部存在汽水兩相，引起管束強烈震動和串動，管束互相摩擦，管子和隔板摩擦，造成減薄破裂，從宏觀檢查情況可以反映出這一情況。

（9）由于堵管范圍不斷加大，造成管束內冷卻水壓力大大增加，流速增加，引起管束的震動加大，壓力加大加速了管束的破裂。

4 建議和措施

通過這次對高壓加熱器的解剖檢驗及其缺陷分析，可以對國內同類臥式高壓加熱器的運行和檢驗提出以下建議和措施：

（1）高壓加熱器的運行參數要嚴格控制。在高壓加熱器投入和切出時要嚴格控制高壓加熱器的溫升率、溫降率，防止高壓加熱器熱交換管受到過大的熱應力作用，盡量避免高壓加熱器因泄漏而退出運行。

（2）高壓加熱器產生缺陷的管段幾乎都集中在過熱蒸汽冷卻區隔板附近，且大多集中在外面幾層管排。這樣，應結合大小修，加強對同類臥式高壓加熱器熱交換管進行定期檢查，尤其是最外面兩層管排，發現有泄漏、減薄、變形的管子要及時采取措施，避免管排發生連續破壞。這對延長高壓加熱器的使用壽命，減少高壓加熱器泄漏尤為重要。由于高壓加熱器熱交換管為對稱分布，過熱蒸汽冷卻區和與之相對的區域應作為重點監督、檢驗的部位。高壓加熱器熱交換管產生缺陷的原因復雜多樣，不同類型的高壓加熱器產生缺陷的原因、缺陷分布位置、缺陷形式均不同。這主要與高壓加熱器的運行工況有關。

（3）對高壓加熱器的運行參數要嚴格控制。同時在高壓加熱器投入和切出時，要嚴格控制溫升率和溫降率，防止管板、管子、隔板受到過大的熱應力作用而發生變形，如堵管數量較多應考慮水壓和流速的影響。

（4）結合機械設備的大、小修，加強對高壓加熱器熱交換管進行定期檢查，以確定管子的泄漏、沖刷、減薄等情況，并根據管子狀況及時采取措施，盡量避免高壓加熱器因泄漏而退出運行。國內目前高壓加熱器主要事故多數發生在疏水冷卻區管段，本高壓加熱器事故原因有一定的特殊性，對此兩部位均應加強日常性檢查。

（5）如法蘭墊圈有損壞要及早更換，防止被沖進高壓加熱器對熱交換器鋼管造成危害。為防止墊圈內圈被沖刷破壞可采用帶內環保護的金屬纏繞墊片。

5 結束語

綜上所述，在電力行業發展的過程中，高加熱交換鋼管產生缺陷的原因復雜多樣，這就限制了電力行業的發展。因此，必須對電廠高壓加熱器熱交換鋼管進行檢驗及缺陷分析，只有這樣才能促進電力行業的良好發展。

參考文獻：

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