火電廠鍋爐四管泄漏原因分析及防范措施

石 川

（國電漢川發(fā)電有限公司，湖北武漢 431614）

0 引言

鍋爐四管包括過熱器、省煤器、水冷壁和再熱器。四管泄漏是指這些受熱面因過熱、腐蝕和磨損等原因引起破裂、泄漏，導(dǎo)致爐管失效，甚至引起鍋爐事故停機。四管安全是鍋爐安全運行的重要保障。根據(jù)公司非停事故統(tǒng)計分析，50%以上的事故發(fā)生是因為鍋爐四管泄漏。輕視鍋爐防磨防爆工作和檢修工藝是四管泄漏的根本原因。近年，隨著公司創(chuàng)建一流火力發(fā)電企業(yè)，對機組運行可靠性提出了更高要求，鍋爐四管防磨防爆尤為重要。爆口特征判斷法是現(xiàn)場確定爆管原因的重要手段，爆口特征主要有以下方面。

（1）爆口位置。位于受熱面的具體部位是向火側(cè)。

（2）爆口形狀。①斷口面是否垂直于軸向；②爆口邊緣有無明顯變薄情況，是銳邊還是鈍邊；③爆口內(nèi)壁有無積垢，外壁氧化情況，爆口附近宏觀裂紋；④爆口附近內(nèi)外壁有無明顯的腐蝕坑；⑤爆口附近內(nèi)外壁上的裂紋走向。

（3）爆口附近的金相。包括組成、數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，以及各類金相裂紋（性質(zhì)、大小、形態(tài)、走向及其與顯微組織的關(guān)系等），顯微孔洞的大小和分布，珠光體球化程度和石墨化程度，脫碳、過燒、過熱等。

1 省煤器泄漏

鍋爐省煤器泄漏的原因較為復(fù)雜，主要因磨損、腐蝕引起。省煤器設(shè)備產(chǎn)生泄漏的原因，多數(shù)都是由于設(shè)備產(chǎn)生磨損。因此，設(shè)備管理人員要重點研究省煤器出現(xiàn)磨損的原因，以及避免省煤器磨損的方法，加強鍋爐檢修。

1.1 磨損機理分析

鍋爐內(nèi)部受熱面的煙氣有一定流速，且呈不規(guī)則形狀。煙氣中的顆粒物會直接對受熱面產(chǎn)生較大沖擊，長此以往，就會將受熱面削薄。煙氣通常以45°左右夾角沖擊受熱面，造成受熱面磨損嚴(yán)重。省煤氣的磨損多為均勻磨損或者局部磨損。省煤器內(nèi)部出現(xiàn)局部磨損就會造成煤氣泄漏，在省煤器設(shè)備中的彎頭位置和靠近墻壁的彎頭位置以及排管處也會產(chǎn)生一定磨損。

1.2 防磨損措施研究

為防止鍋爐內(nèi)省煤器裝置產(chǎn)生磨損，要求設(shè)備管理人員盡量控制煙氣對受熱面的磨損速度。設(shè)備管理人員在鍋爐的轉(zhuǎn)彎豎井位置，安裝百葉窗的除塵設(shè)備。在過熱器中安裝飛灰分離裝備，在轉(zhuǎn)彎位置安裝離心式的分離裝置。這些裝置都可以延緩煙氣對鍋爐省煤器的磨損。

調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，影響設(shè)備磨損程度的關(guān)鍵因素是后煙井內(nèi)部的煙氣流速。如果煙氣流速過快，會給受熱面產(chǎn)生較大沖擊力，造成受損面程度嚴(yán)重。煙氣流速與設(shè)備磨損成正比，磨損速度與煙速的三次方成正比。隨著煙速提升，磨損速度也會大幅度加快，甚至?xí)铀倌p。應(yīng)用國外設(shè)備，可以在不同因素狀況下開展磨損測試。在煙速14 m/s，運行600 h，產(chǎn)生的磨損量與煙速在35 m/s 情況下運行20 s 產(chǎn)生的磨損量基本一致，這表明煙速越快，產(chǎn)生的磨損程度越大。設(shè)備管理人員要盡量擴大煙道內(nèi)部直徑和煙氣流通面積，同時要減少排煙管道，增大管道內(nèi)的橫截面積。在保持縱向截距不變情況下，將單管道逐步改變?yōu)榧娱L的雙管圈管道，著重消除煙道拐彎處的受損。

2 水冷壁管泄漏

2.1 磨損

水冷壁管道出現(xiàn)磨損，多數(shù)發(fā)生在爐膛短吹灰器噴口周圍。由于吹灰槍含水或起吹點位置不正確，吹灰時對水冷壁沖刷造成吹損。

2.2 腐蝕

高溫燃氣爐內(nèi)部氧氣與容器壁發(fā)生比較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，通常產(chǎn)生硫化物、硫酸鹽或者氯化物等各類腐蝕物。大量研究表明，當(dāng)水冷壁管產(chǎn)生高溫時有一定規(guī)律性。大部分發(fā)生在燃燒的供應(yīng)區(qū)及部分熱負荷比較高的高溫區(qū)域。在燃燒區(qū)附近，由于其溫度明顯要高于周邊溫度，其高溫腐蝕就會顯現(xiàn)出來。如果產(chǎn)生高溫腐蝕的管道在向火一側(cè)，正風(fēng)速度加快，管壁會減??；在背火一側(cè)，則不會發(fā)生高溫腐蝕。高溫腐蝕主要有以下原因。

（1）產(chǎn)生火焰沖墻是由于經(jīng)常存在水冷壁高溫腐蝕，在鍋爐內(nèi)部會使火焰傾斜，出現(xiàn)火焰沖墻及一些環(huán)形氣體，進而發(fā)生高溫腐蝕現(xiàn)象。

（2）高溫火焰直接沖刷水冷壁，其內(nèi)部含有很大煤粉，煤粉濃度較高，高溫火焰會直接沖擊到水冷壁管。此時，腐蝕會進一步加大，加速管道破裂?；鹧嬷羞€有一些沒有燃盡的煤灰在水冷壁管，周圍就會出現(xiàn)一些缺氧燃燒現(xiàn)象，出現(xiàn)許多還原氣體，加快管道腐蝕。

（3）由于火焰燃燒未燒盡，煤灰水會在水冷壁管內(nèi)部再次燃燒，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成堵塞區(qū)域。在鍋爐附近，會形成一氧化碳、硫化氫等腐蝕性氣體。通過研究分析，其中一氧化碳濃度越大，腐蝕更加嚴(yán)重，硫化氫氣體的濃度也會大于0.01%。這樣就會給現(xiàn)有管材帶來較大腐蝕，當(dāng)含氧量超過20%，就會產(chǎn)生高溫腐蝕現(xiàn)象。

（4）管道品質(zhì)差是目前重要的因素，管道內(nèi)部有硫元素、堿金屬元素和一些氧化物元素。這些元素含量較大，腐蝕性也強，會出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。高硫煤散發(fā)出二氧化硫、三氧化硫，硫化物對壁管的氧化劑保護膜帶來較大腐蝕，有可能還會侵蝕管壁，使管壁不斷變薄，最終出現(xiàn)爆管事故。燃燒使得火點溫度較高，燃燒比較困難，容易產(chǎn)生不完全燃燒的現(xiàn)象。使得火焰逐步拓展在管壁附近，形成環(huán)形氣體，進而增大對管壁的腐蝕程度。煤灰粉顆粒越大，則燃燒不夠充分，比較容易形成環(huán)形機體。這時高溫腐蝕顆粒物對管壁面的磨損程度會加大，引起內(nèi)部腐蝕速度進一步加快，而且腐蝕物質(zhì)直接與管壁接觸反應(yīng)，加劇了腐蝕。

（5）運行因素的影響是在鍋爐內(nèi)部產(chǎn)生負荷的變化期間。當(dāng)鍋爐運行不當(dāng)，就會出現(xiàn)燃燒不夠穩(wěn)定，產(chǎn)生更多的還原性氣體，造成煙氣沖墻，進而發(fā)生高溫腐蝕。

2.3 防范措施研究

增強對燃料的控制，可以直接在煤炭燃燒的前期、中期、后期分別去除硫，降低燃料含硫量。使用合適的煤粉細度，盡可能減少含硫燃燒，使得煤粉濃度分布均勻，要加強對水的控制，適當(dāng)提高水冷壁管的水流速度，降低管壁溫度，嚴(yán)格控制給水品質(zhì)。應(yīng)用熱噴涂或者激光鍍膜的方式涂抹表面，進一步降低腐蝕速度，加強燃燒速度，合理配方，進一步減少水冷壁管附近還原性氣體，避免煙氣直接沖刷水冷壁管。

3 過熱器和再熱器的泄漏分析

3.1 超溫

3.1.1 火焰中心逐步上移

產(chǎn)生鍋爐內(nèi)部火焰中心上移的原因較多。例如，有些鍋爐機組出現(xiàn)漏風(fēng)，煤粉細度調(diào)整不合適，顆粒變粗，空氣動力場出現(xiàn)傾斜都會造成火焰中心上移。鍋爐爐膛內(nèi)煙溫過高，煤灰中含碳量增多，就會給過熱器帶來超溫問題。煙氣直接通過過熱器的各個位置，造成過熱器磨損，使得排煙溫度偏高。火焰溫度對過熱器裝置內(nèi)部的煙氣溫度有較大影響。有些大型鍋爐設(shè)備使用燃燒裝置，科學(xué)調(diào)節(jié)內(nèi)部的過熱器煙氣溫度。通常情況下，可認為燃燒器噴嘴角度產(chǎn)生1°變化，過熱器內(nèi)部的煙氣溫度就會產(chǎn)生2 ℃變化。如果鍋爐煙氣溫度過大，就會給整個鍋爐設(shè)備的運轉(zhuǎn)帶來較大威脅，不利于鍋爐使用。

3.1.2 氧化皮堆積

管道的氧化皮破損后，就會在管道的彎頭部位沉積，引發(fā)管道高溫，還有可能出現(xiàn)過熱爆管。使用高溫過熱器，當(dāng)氧化皮脫落時，都會集中到管道的最底部，使得氣體流通面積減少，也會給蒸汽的流通帶來很大阻礙。在管道內(nèi)部，蒸汽流動阻力減小，會進一步弱化對管道的冷卻效果，造成高溫過熱器或者再熱器的管道在超臨界鍋爐運行時，出現(xiàn)氧化皮脫落，導(dǎo)致鍋爐受熱面被動，在短期出現(xiàn)爆管問題。

高溫的蒸汽管道內(nèi)部形成氧化膜，這是一個自然過程，氧化膜形成后就會使氧化速度降低。在超溫溫度下，壓力距離不同，這是由于管道內(nèi)部的氧化膜受熱能力不同，表面的氧化膜會產(chǎn)生一些裂紋，使得管道暴露。在外界氧化環(huán)境中，使得管道氧化速度加快，也會出現(xiàn)多層氧化。隨著鍋爐設(shè)備運行時間提升，此時鍋爐上的氧化膜會逐步增厚。若鍋爐出現(xiàn)頻繁的壓力變化，此時鍋爐升降負荷中，管道內(nèi)部的溫度也會出現(xiàn)較大變化。由于受力不同，對表面氧化物會產(chǎn)生過壓作用，導(dǎo)致氧化膜開裂。破落氧化皮掉入到管道內(nèi)部，氧化皮的雜質(zhì)積累到一定程度后會堵塞通道，使得管道內(nèi)部溫度升高，出現(xiàn)爆管。

3.2 磨損

過熱器裝置磨損較大，是由于管道內(nèi)部飛灰?guī)淼臎_刷磨損。這種磨損會出現(xiàn)在煙氣管道里煙速突變位置。例如，管道的蛇形彎頭位置和穿墻管位置，這些地方都容易產(chǎn)生沖刷磨損。在鍋爐維修期間，要加大對過熱器裝置的檢查力度。著重分析檢查過熱器的煙氣走廊、穿墻管，還要檢查蛇形管中間位置是否出現(xiàn)異物。如果煙氣管道內(nèi)部有異物，就要認真檢查異物周圍的磨損狀況，及時取出異物。對于水平的煙道垂直式過熱器排管，檢查分析豎井上部和再熱器蛇形管道上的磨損情況，做好磨損的數(shù)據(jù)記錄。

3.3 腐蝕

過熱器裝置經(jīng)常會在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生較大腐蝕，高溫會使管道中煙氣與排煙管道中的金屬產(chǎn)生反應(yīng)，造成管道金屬腐蝕。在燃料燃燒期間，堿金屬（如鈉和鉀）經(jīng)常會與氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化物。氧化物凝結(jié)在管道外壁和內(nèi)壁上。例如，燃燒中會與氧形成二氧化硫、三氧化硫。二氧化硫與氧化鈉形成硫酸鈉，硫酸鈉的熔點較低，經(jīng)常會附著在管壁上，被灰吹走后變成顆粒物，造成管壁受到較大損壞。其中，管道中含有較大的氧化鐵，氧化鐵可以與二氧化硫產(chǎn)生硫化鐵、硫酸鐵，成為復(fù)合鹽。這種復(fù)合鹽的熔點也比較低，在580 ℃就會被熔化，破壞管道壁上的氧化鐵保護膜，損壞管道。

3.4 防范措施

加強運行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)爆管問題，要及時分析原因，快速處理鍋爐內(nèi)部出現(xiàn)的燃燒。還要做好化學(xué)清理，去除雜物和沉積物。硬管壽命達到設(shè)計數(shù)據(jù)時，要及時更換設(shè)備。

4 結(jié)束語

為防止鍋爐四管泄漏，應(yīng)建立防磨防爆制度與檢查組，“逢停必檢”。加大對鍋爐四管的全面檢查力度，防止鍋爐四管產(chǎn)生泄漏或者出現(xiàn)爆管，提高設(shè)備使用壽命。