鍋爐蒸汽側超溫爆管原因分析與防治措施綜述

伍建洲

（廣東粵電博賀煤電有限公司，廣東　茂名　525000）

0　引言

現代大型鍋爐的熱負荷大、參數高，已使高溫受熱面的管壁溫度接近鋼材最高許用溫度。已投運的600 MW超超臨界機組水冷壁等受熱面爆管現象頻繁發生，已成為困擾超超臨界燃煤發電機組安全的主要隱患。鍋爐事故中最多的是“四管（即省煤器、水冷壁、過熱器和再熱器）爆漏”，由于過熱器和再熱器長期工作在高溫煙氣的嚴酷環境中，因此，常見鍋爐爆管事故中過熱器和再熱器的超溫爆管比例較大。并聯管組存在的熱偏差和流量偏差，會使偏差管的壁溫超過管組的平均壁溫，甚至超過最高許用溫度；水冷壁管傳熱惡化（如膜態沸騰），會使放熱系數急劇下降，管壁溫度急劇增加，甚至造成管壁過熱而燒壞?！八墓堋钡某瑴乇苁鹿室殉蔀榻档湾仩t利用率的主要因素之一。

隨著鍋爐不斷朝著大容量、高參數方向發展，鍋爐高溫受熱面因為超溫所引起的問題主要有管內氧化皮快速生成造成脫落引起的爆管、超溫爆管、降參數運行等，歸根結底是由于爐內高溫受熱面金屬壁溫超溫所造成。

以下就大型發電廠鍋爐高溫受熱面蒸汽側超溫導致爆管事故的原因與防治措施進行了系統研究，為我國發電廠鍋爐防止超溫爆管事故，提供了重要的借鑒經驗。

1　蒸汽側超溫爆管原因分析

導致高溫受熱面超溫爆管的根本原因在于蒸汽側的流量偏差，造成流量偏差的原因一般有以下幾種情況：

（1）由于集箱效應導致屏間流量分配不均。

（2）由于管子排列結構差異而引起的管間流量不均。

（3）由于熱效應引起的流量分配不均。

（4）高溫受熱面的結構設計問題、調溫裝置系統的設計問題以及異物堵塞等。

1.1　爆管事故案例

華能某發電廠600 MW機組鍋爐側包墻發生了爆管事故[1]，對爆管事故進行分析發現，造成超溫爆管的主要原因是由于受熱面結構設計有缺陷，聯箱靜壓分布不均，導致了部分側包覆墻管子質量流速過低，流量不足，使該部分的受熱面無法得到足夠的冷卻介質。為此提出了4種改造方案：完善連通管系、飽和蒸汽直入包覆前側墻入口聯箱、改變側包覆墻管規格、增加節流圈。通過技術經濟性比較，認為采用增加節流圈的措施為最佳，并根據計算確定了改造的具體實施方案。改造后的運行情況表明，相同負荷下，對比側包墻低溫過熱器壁溫分布，側包墻改造后各負荷下壁溫分布趨于合理，受熱面管子最高壁溫點比改造前大幅度降低，受熱面改造達到了預期目的。

河北國華某發電廠4號鍋爐水冷壁連續發生2次漏泄事故，2次爆管情況相同，爆管標高相同[2]。結合宏觀爆口和電鏡分析，推斷出爆管部位的管壁溫度曾超過700℃，在該溫度下材料的強度急劇下降，最終導致短時超溫爆管。進一步分析認為，2次水冷壁爆管主要原因均為管子水流不暢通，造成冷卻條件惡化，在短期內被加熱到較高的溫度，金屬強度下降，在內部介質壓力的作用下，爐管以較大的變形速度使管徑脹大，管壁減薄，當管壁強度不能承受介質壓力的作用時，管子開裂。

某發電廠1 900 t/h超臨界壓力鍋爐發生一次螺旋水冷壁管泄漏事故[3],通過水冷壁管爆管部位宏觀分析、割管取樣檢測、回路通氣、聯箱接口和管路變徑部位內窺鏡檢查以及回路分段通球等多項技術手段進行了檢查,最終查明泄漏原因為螺旋水冷壁管為避讓燃燒器噴口彎頭部位，造成內部卡塞,回路內部通流面積減小，導致管子局部長期過熱所致。文獻[4]介紹了多種由異物堵塞引起的“四管泄漏”事故，按異物形成階段不同，將堵塞異物分為基建、檢修和自身產生異物。文獻[5]同樣介紹了某火電廠660 MW機組鍋爐由于異物長期粘結在管內壁，使得管子內部流通介質不足，造成管子長期超溫運行，導致組織老化，蠕變脹粗，最終爆管泄露。文獻[6]介紹了某發電廠末級再熱器爆管事故，通過初步現場分析、金相試驗分析和力學性能分析發現，判斷為異物堵塞管子造成管內介質流通不暢，最終導致管壁溫度升高爆管。珠海發電廠2×700 MW機組鍋爐高溫對流受熱面多次發生管壁超溫甚至爆管問題[7]，從煤種、煙道煙氣溫度分布以及蒸汽側流量分布3個方面進行的分析表明，超溫爆管主要由蒸汽側的流量分布偏差引起，煙氣側的溫度分布偏差則為次要原因。

1.2　爆管原因的系統分析

1.2.1高溫受熱面結構設計不合理

（1）管組的進/出口集箱的引入、引出方式布置不當，使蒸汽在集箱中流動時靜壓變化過大，從而造成較大的流量偏差。

（2）過熱器或再熱器的前后級之間沒有布置中間混合聯箱而直接連接，或者未進行左右交叉，這樣使得前后級的偏差相互疊加，導致末級受熱面產生過大熱偏差。

（3）因同屏（片）并聯各管的結構（如管長、內徑、彎頭數）差異，引起各管的阻力系數相差較大，造成較大的同屏（片）流量偏差、結構偏差和熱偏差等。

1.2.2調溫裝置系統設計不合理

（1）某些鍋爐在噴水減溫系統設計中，往往通過1只噴水調節閥來調節一級噴水的總量，將噴水平均分配到左右2個回路。這時，當左右側的燃燒工況或汽溫有較大偏差時，無法調整左右側噴水量來平衡兩側的氣溫。

（2）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%，當汽溫偏離設計值較嚴重時，發現噴水減溫器容量不夠。

以上原因均可能造成高溫受熱面（過、再熱器）的超溫爆管事故。

1.2.3異物堵塞

（1）制造或安裝時，管道和聯箱組裝焊接對口前未徹底清理內部遺留物。施工過程中未采取好防異物措施，造成焊渣、鋼管、焊條頭等雜物遺留在汽水管道及聯箱內，導致部分管道口或節流孔堵塞，致使蒸汽流量不足，從而造成鍋爐受熱面管過熱爆管[4]。

（2）機組檢修時，防異物措施如通球、封堵、檢查清理等執行不到位，異物進入管道內，不能及時發現和清除，致使運行中發生堵塞爆管。

（3）汽水管道內結構件固定不牢或損壞。如減溫器設計制造存在質量隱患，焊接強度不足，在運行過程中，由于聯箱內蒸汽沖擊，扁鋼墊板固焊點強度下降，導致扁鋼墊板脫落堵塞在管中，進而造成高溫過熱器爆管。

1.2.4運行狀況不佳引起的超溫爆管

（1）當鍋爐運行狀況不佳，導致各管子吸收管外煙氣熱量存在較大偏差時，導致管內流量發生偏差，從而使蒸汽流量較小的管子內蒸汽超溫。

（2）高壓加熱器（簡稱高加）投入率低，容易導致鍋爐給水溫度降低。計算及運行經驗表明，給水溫度每降低1℃，過熱蒸汽溫度上升0.4～0.5℃。因此，高加停運時，省煤器入口的給水溫度降低，在保證主蒸汽流量不變的情況下，需要增加入爐煤量，鍋爐煙氣量增大，造成鍋爐對流和輻射吸熱量發生變化，從而造成主蒸汽溫度升高[8]。

（3）鍋爐負荷發生較大變化時，鍋爐主汽壓力發生變化，蒸發段及過熱段的熱量分配發生變化，容易引起主汽溫度發生較大波動，甚至發生主蒸汽溫度嚴重超溫現象。

（4）當運行狀況不佳引起水冷壁傳熱惡化時，將導致管內壁對工質的傳熱系數急劇減小，進而造成壁溫飆升導致管壁超溫甚至爆管。

1.2.5加工制造工藝缺陷

（1）當受熱面存在管材質量缺陷或加工制造工藝缺陷時，管子容易因工作在高溫高壓環境下而發生超溫爆管事故。例如高溫受熱面管內工質溫度和壓力均較高，對于焊口質量的要求非常嚴格。當焊接質量不佳時，容易引起焊接處的蒸汽部分或全部短路，造成管子內部蒸汽流量減少，管子冷卻不佳，進而導致超溫爆管。

（2）當管材的許用溫度或應力不足時，即使管壁溫度正常、管內壓力正常，也可能發生爆管事故。

2　防止爆管的措施

2.1　保證高溫受熱面結構設計的合理性

（1）合理布置管組的進/出口集箱的引入與引出方式，如進行管組間的交叉布置等。

（2）同一種受熱面若分為多級受熱面時，根據需要布置中間集箱，以減小熱偏差。

（3）設計時，考慮同屏各管間不同管徑、不同管長等因素帶來的不同阻力系數，通過增設節流圈等方法來保證各管間相同的工質流量，并保證不同區域管子的流量分配與所處位置的煙氣放熱量相匹配，從而減少工質的熱偏差。

2.2　合理設計調溫裝置系統

（1）當同一受熱面左右兩側蒸汽溫度偏差較大時，對噴水減溫系統的設計要求是：保證可以任意調節同一受熱面左右兩側的減溫水量，達到降低蒸汽溫度同時，也能調節同一受熱面兩側蒸汽溫度使其相同。

（2）保證噴水減溫器具有足夠的容量，即使蒸汽溫度偏離設計溫度很多時，噴水減溫系統也能將蒸汽溫度降低到正常范圍內，防止蒸汽超溫。

2.3　防止異物堵塞

（1）在汽水系統安裝、檢修時，應做好防止異物進入的措施和清理措施。集箱內部100%進行清理檢查，除去設備的毛刺等異物，防止制造和安裝殘留物堵塞管道。此外，利用機組停運機會，用內窺鏡或其他方法對聯箱內部及節流孔部位進行檢查，發現異物及時進行清理。

（2）檢修中做好防異物控制措施。受熱面割管后及時封堵，坡口制作時，防止鐵屑進入管道內部；新管更換前進行內部清潔度檢查和通球試驗，懷疑管內有異物時，用內窺鏡或其他方法進行檢查并徹底清理。

（3）加強汽水管道內構件檢查，重點檢查減溫器、流量測量裝置、溫度測量裝置內部構件的完整性。

（4）管屏彎頭處容易發生異物堵塞，因此，設計時需適當加大彎頭的直徑，防止異物堵塞。

2.4　優化鍋爐運行

（1）調整運行方式，優化煙氣側流場，減少煙氣側的熱力不均勻性。

（2）優化運行，保證高加的投入率，防止由于高加解列造成的主蒸汽超溫現象。

（3）當鍋爐需要變負荷運行時，在保證機組負荷變化調度要求的同時，盡量保證較小蒸汽溫度變化，以防主蒸汽發生短時超溫現象。

2.5　保證加工制造工藝的質量

隨著材料科學技術的發展以及加工制造技術的發展，高溫受熱面的材質質量能按照設計要求供貨，并且高溫受熱面的加工制造工藝也能滿足設計要求。因此，目前因受熱面管材質量缺陷及加工制造工藝缺陷造成的超溫爆管事故較少。但是，在制造廠制造加工和發電廠檢修時仍須注意嚴格檢查管材的質量，嚴把加工制造關，避免此類原因造成的超溫爆管事故。

2.6　對管內蒸汽溫度進行在線監測

通過實時測量或管內蒸汽溫度在線計算方法，來實時掌握高溫受熱面各管子內部蒸汽溫度，方便運行人員對鍋爐運行狀態進行優化調整，在保證機組安全性的同時提高機組運行的經濟性。例如，對高溫再熱器各管子內的蒸汽溫度進行在線監測，當有部分管子的蒸汽溫度發生超溫過大時，需首先通過煙氣側的再熱汽溫調節方法（如調整燃燒器角度、尾部煙氣擋板、煙氣再循環等）進行再熱汽溫的調整；當煙氣側調溫作用有限時，則在必要時需將再熱器事故噴水減溫器閥門打開（會降低機組的經濟性），將再熱汽溫控制在合理范圍內。

3　結語

“四管”的超溫爆管事故已成為降低鍋爐利用率的主要因素之一,對鍋爐蒸汽側超溫爆管原因及其預防措施進行系統分析研究，可為我國大型發電廠鍋爐安全、穩定運行提供重要的參考經驗。

經過研究統計，蒸汽側超溫爆管主要原因有高溫受熱面結構設計不合理、調溫裝置系統設計不合理、異物堵塞、運行狀況不佳、加工制造工藝缺陷等。

預防措施有合理設計高溫受熱面結構、合理設計調溫裝置系統、防止異物堵塞、優化鍋爐運行、保證加工制造工藝的質量和對管內蒸汽溫度進行在線監測[9-10]。