CFB 鍋爐二級減溫器裂紋故障分析及處理

李 偉

（中國石化茂名分公司熱電分部，廣東茂名 525011）

0 引言

在生產作業過程中，CFB（Circulating Fluidized Bed boiler，循環流化床鍋爐）二級減溫器裂紋故障發生的頻次非常高，嚴重影響了系統的正常運轉。因此，工業企業在現代化的發展過程中，要根據CFB 鍋爐二級減溫器故障的相關原因，來采取有效的裂紋控制手段，消除鍋爐系統運行中的各種風險。

1 減溫器結構及作用

根據CFB 鍋爐的結構設計特點，減溫器是鍋爐系統中的關鍵構成，在整個的鍋爐系統運行中發揮著不可替代的作用。該鍋爐采用兩級噴水減溫器來進行過熱汽溫的有效調節，其中，第一級噴水減溫器處于一級過熱器出口集箱到屏式過熱器進口集箱的連接管道，左右各設計有一個，設計噴水量全部處于這一級中，鍋爐運行中起著主要的調節與控制作用，在一定程度上可以將屏式過熱器管壁溫度控制在合理的范圍內。第二級減溫器處于屏過出口集箱到二級過熱器進口集箱的導管上，同樣在左右各設計了一個，在鍋爐運行中，當一級減溫器噴水量受到了限制以后，就要啟用這一級別的減溫器。

在該鍋爐系統中，一、二級左右側的噴水減溫器，均使用的是旋渦文丘里式噴水減溫器，這種特殊的減溫器類型整體結構包含了筒體、噴頭、文丘里混合管、襯套。在減溫器的運行過程中，因為在文丘里式管端部設置有一個旋渦噴嘴，該旋渦噴嘴的霧化作用非常突出，減溫水經過旋渦噴嘴的霧化處理以后，進入文丘里管與蒸汽直接混合，整體結構簡單，保障了二者之間良好的混合效果，減溫幅度非常大。

2 設備概況

某工業企業的動力車間2#CFB 鍋爐B0102，設備型號為FW-410/9.81-M004，介質主要為蒸汽，設計負荷410 t/h，設計壓力9.81 MPa，設計溫度535 ℃。在該鍋爐系統的運行過程中，CFB 鍋爐二級減溫器存在裂紋故障頻發的問題，嚴重影響了鍋爐系統的正常運轉。根據裂紋情況所引起的停工情況分析，其停工經過如下：某年9 月21 日上午，班組在操作的過程中，發現2#爐6 樓北側部位的二級減溫水入減溫器的保溫鋁皮部位存在冒汽情況，根據生產經驗，這一問題可能是由于此部位的泄漏所引起的，有關人員發現這一問題后，及時上報了相關部門，檢查發現在鍋爐二級減溫器母線外表面有一條長120 mm 的裂紋。

3 CFB 鍋爐二級減溫器裂紋故障分析

3.1 主要問題及檢查情況

在該CFB 鍋爐中發現二級減溫器裂紋故障以后，為避免裂紋對生產的直接影響，減小經濟損失，有關部門立即組織相關人員對現場的裂紋情況進行了檢查。檢查發現，二級減溫器故障部位集箱材料的材質符合相應的標準；集箱硬度最高110 HB，根據特定標準，其硬度值最好控制在125～179 HB，對比發現集箱硬度低于正常標準；經由金相檢查，球化級別為3 級，屬于輕度球化；UT 檢查結果表明，故障部位的裂紋長度360 mm。

經由內窺鏡檢查，在減溫器北側內套筒縮頸處焊縫位置存在著明顯缺陷，根據對現場缺陷的進一步分析，發現在內套筒中存在微孔洞；二級減溫器北側內套筒焊縫處的裂紋問題明顯；南側內套筒處焊縫處同樣伴隨著裂紋現象的發生。經專業檢測機構對故障部位的全面檢查后發現，二級減溫器南北側內套管焊縫裂紋更為明顯，北側內套筒縮頸處存在焊縫擴展情況。

3.2 直接原因分析

根據該工業企業中鍋爐系統的運行情況，CFB 鍋爐二級減溫器處的運行情況如下：減溫水溫度和蒸汽管溫度分別為205 ℃、480 ℃，根據現場的全面檢查，內套筒水室出口側焊縫處存在著一定的裂紋分布，該部位的裂紋與集箱裂紋的方向基本相同。由此基本上可以判定，集箱裂縫的直接原因為內筒孔洞與焊縫裂紋缺陷所致。當這一問題出現以后，內筒對集箱的保護功能喪失，沒有被完全汽化的減溫水和蒸汽充分混合以后，所形成的混合物會直接送達集箱內壁。根據生產實際，對于壁厚為40 mm 的鋼材，當溫度變化為0.9 ℃/s 的情況下，可能會導致內外壁出現50 ℃左右的溫度差異，正是這種溫度差異使得在該部位沒有被充分汽化的減溫水一旦接觸到了集箱內部，交變溫度應力的反復作用引起裂紋的出現。對內套筒裂紋而言，噴口處于頻繁的噴水減溫條件下，熱交變應力作用下，應力集中部位可能會引起熱疲勞裂紋。

根據鍋爐運行現場的工況條件分析，CFB 鍋爐長時間保持在低負荷工況條件下，這一運行工況時的二級減溫水可能維持一段時間的噴水或者停止噴水過程中。結合鍋爐運行情況，當鍋爐負荷處于230 t/h 以內的狀態下，二級減溫水不投入使用就可，一旦鍋爐運行負荷超出了280 t/h 限值，二級減溫水將長期投入使用。3#CFB 鍋爐在投入使用以后，2#鍋爐的運行負荷長期保持在240～270 t/h，尤其是在1～9 月，2#鍋爐的運行負荷為256 t/h，平均減水溫量達到了0.99 t/h，當鍋爐處于吹灰條件下時，減溫水調節閥處于自動控制的條件下，對減溫水的調整和投切相對頻繁，當處于低減溫水流量的情況下，減溫器的霧化效果難以保障，也就增加了二級減溫器的熱疲勞裂紋故障概率。

減溫器裂紋故障也可能是由于結構設計缺陷、安裝問題所引起的，根據專業人員拍攝的現場實物照片，發現在減溫器內部熱交變應力作用下的破壞從應力集中部位開始。北側二級減溫器內套管外壁固定支撐點處的磨損問題非常嚴重，在制造廠安裝的過程中，固定支撐點的打磨量超出了正常標準，導致集箱與內筒之間的間隙過大，當在嚴重的汽流激振作用下，內筒混合段筒體存在高頻抖動的問題，這一問題加劇了相關部位零部件的機械疲勞裂紋產生。當然，在這一條件下，環形噴嘴和文丘里管設計存在一定的設計缺陷和漏洞，因為在鍋爐運行的過程中，噴入水和氣流呈現出相互垂直的狀態，且二者之間的距離比較短，當內套管中出現了裂紋以后，減溫水可能會與外管壁直接接觸，引起外部管線的損傷和破壞。

3.3 可能原因分析

二級減溫器內套筒環形焊縫位置處，根據相應的設計圖紙標準，在設計的過程中并未嚴格要求100%焊縫的RT 檢查，僅僅要求做100%PT 檢測，因此，北側二級減溫器內套筒縮頸處的裂紋，可能是由于焊接工藝應用不當所引起的。

3.4 管理原因分析

管理因素同樣是引起CFB 鍋爐二級減溫器裂紋故障的重要原因，相關管理機構在鍋爐系統的運行過程中，并未及時評估鍋爐處于低負荷運轉狀態下時對于二級減溫器造成的直接影響，在后續檢修維護的過程中，并未做好對二級減溫器的檢查，對裂紋故障的發現和處理不夠及時。

根據上述分析，該CFB 鍋爐裂紋是由于二級減溫器內套管設計缺陷引起的，當然還有很多方面的原因，CFB 鍋爐低負荷運行工況條件下有著對應的二級減溫器內套管設計標準，當存在設計缺陷的情況下，裂紋發生概率較高。減溫器內套管長期受到冷熱交變應力的作用，導致在文丘里縮頸處環形焊縫部位出現了明顯的開裂。

4 裂紋故障處理

（1）根據鍋爐系統的運行工況要求，對減溫減壓器加以適當的結構優化，條件允許的情況下改變部分材料材質和內套筒的固定，盡量使內外套筒的材料一致。

（2）2#鍋爐已更換減溫器內套筒材料，往往僅能夠維持3～6個月的運行周期。1#鍋爐的投運周期雖然較長，但是其整個的運行工況與2#鍋爐運行有著極高的相似度，在這一運行條件下，可能存在內套筒甚至集箱損壞的情況，在未完全更換減溫器之前，鍋爐系統存在著一定的安全風險。為了適當延長1#、2#鍋爐的運行周期，可以在鍋爐系統運轉的過程中，適當進行3 臺鍋爐的運行負荷分配。當3#鍋爐運行負荷在330～370 t/h 之間時，運行負荷調整要以3#鍋爐作為基礎，將1#、2#鍋爐的運行負荷保持在220～240 t/h 的穩定負荷條件下；當3#鍋爐運行負荷達到了370 t/h 甚至更高的條件下時，如果依舊難以達到鍋爐系統的運行要求，適當提高2#鍋爐的運行負荷，降低3#鍋爐的運行負荷。

（3）做好日常的鍋爐檢修與維護。在3#鍋爐的檢修中，保持其他兩個鍋爐的高負荷運行工況條件，使得二級減溫水可以連續運行。當鍋爐總體負荷在800 t/h 以內時，對1#、2#鍋爐的二級減溫器運行條件加以適當的優化。

（4）在1#、2#鍋爐處于吹灰階段時，為降低裂紋的出現概率，要適當降低其運行負荷且避免二級減溫水的投運。一旦外部的用汽負荷在短時間內出現了很大的波動，要首先滿足系統平衡運行的標準，總體工況處于穩定狀態后方可進行相應的調整。

（5）因為鍋爐系統運行的過程中會受到DCS 自控系統的干擾，生產負荷不滿足減溫水投自動的狀態下時，1#、2#鍋爐二級減溫水調節閥最好選用手動調節的方式。

（6）不斷完善對二級減溫器的巡查處理，不斷針對整個系統的運行工況對二級減溫器做好日常的巡查和檢修，及時發現其中潛在的裂紋故障并加以處理，避免裂紋的擴展。

5 結束語

現階段，CFB 鍋爐系統在工業生產領域廣泛應用，二級減溫器是這一鍋爐系統的關鍵構成，但該部件運行中的裂紋故障較為常見，影響了系統的可靠運轉。因此，企業在實際的生產中，要針對二級減溫器的裂紋類型和原因，采取針對性的措施，最大程度上保障CFB 鍋爐的可靠運轉。