【正文】 電廠鍋爐設(shè)備故障分析與識(shí)別 丘紀(jì)華 華中科技大學(xué) 一、大容量鍋爐承壓部件爆漏事故分析 1. 概述 鍋爐承壓部件的爆漏占主要有“四管”爆漏，當(dāng)然還包括爐內(nèi)其它一些管段的泄漏和爆破。 “四管”爆漏是指鍋爐水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤器管產(chǎn)生泄漏及爆破。 鍋爐的“四管”爆漏是火電廠中常見性、多發(fā)性故障，是長期困擾火電廠安全生產(chǎn)的一大難題，其引發(fā)事故率高，通常需停爐處理，故對發(fā)供電和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響很大。 從我國近年來大型電站機(jī)組設(shè)備事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，鍋爐設(shè)備事故中“四管”爆漏的事故所占比例較大，在所發(fā)生的非計(jì)劃停運(yùn)事故中，有近一半是鍋爐“四管”爆漏造成的。 鍋爐“四管”爆漏對機(jī)組可用率的影響， NERC（北美電力可靠性委員會(huì)）的統(tǒng)計(jì)分析表明，每減少 1%的可用率意味著 3000~7000萬美元的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何更加有效地開展鍋爐“四管”爆漏防治工作，提高設(shè)備的可用率，進(jìn)而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益是一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。 過熱器%再熱器%水冷壁%省煤器% 國內(nèi) “ 四管爆漏 ” 的情況 華中地區(qū)“四管爆漏”事故統(tǒng)計(jì) 過熱器%再熱器%水冷壁%省煤器 7 . 5 %華東地區(qū)“四管爆漏”事故統(tǒng)計(jì) 華中地區(qū)火電機(jī)組 “ 四管爆漏 ” 技術(shù)原因分類統(tǒng)計(jì) 過熱%其它%質(zhì)量缺陷%腐蝕%磨損%疲勞%11 “四管爆漏 ” 的形狀 （ 1）水冷壁爆管 爐水水質(zhì)惡化， 水冷壁內(nèi)壁沉積結(jié)垢，造成垢下腐蝕導(dǎo)致爆管。 高溫腐蝕引起的水冷壁爆管（ SO2腐蝕） 水冷壁氫腐蝕爆管的宏觀形貌 （ 2） 過熱器 過熱器彎頭爆漏 過熱器爆管 （ 3）再熱器 低再爆管 再熱器管爆管 （ 4）省煤器 省煤器泄漏 省煤器泄漏爐水吹損壞的其它省煤器管 2. 四管爆漏原因及機(jī)理分析 數(shù)據(jù)的分析和歸類 盡管鍋爐“四管”爆漏的機(jī)理復(fù)雜，目前已知的有 20余種，但是基于對歷史數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)絕大部分爆漏問題可以劃歸在 3類型式中。 （ 1）慢性、累積型爆管：包括由蠕變、疲勞、腐蝕和磨損等引起的爐管爆漏。這類問題一般與運(yùn)行時(shí)間相關(guān)，隨著機(jī)組運(yùn)行累計(jì)時(shí)間的延長和設(shè)備的老化，這類問題呈現(xiàn)上升的趨勢。 （ 2）先天缺陷引起的爆管：這往往由于制造、安裝或檢修等環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制問題引起，如焊接缺陷、缺陷部位的壽命因缺陷程度的大小變化很大。這類爐管爆漏隨時(shí)間的推移呈逐漸下降的趨勢。 （ 3）快速、隨意型爆管：這類爆管往往是由于運(yùn)行中的短期異常問題引起，比如運(yùn)行中的汽水回路流量中斷、吹灰器異常吹損等。與前面兩類不同，這類爐管爆漏問題一般是由短期因素作用引起，它的發(fā)生機(jī)率和機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間無關(guān)。 區(qū)分了以上 3類爆管的特點(diǎn)，就可以采用不同的處理方案 第 1類爆管數(shù)量上一般占總爆漏次數(shù)的 50%以上。對于此類爆管，針對爆漏失效機(jī)理可采取相應(yīng)的預(yù)防、控制措施。 第 2類爆管問題可以通過加強(qiáng)質(zhì)量管理，抓好從管材采購到制造、安裝各環(huán)節(jié)的檢查和檢驗(yàn)工作得到控制。 第 3類爆管的發(fā)生雖然呈現(xiàn)一定的隨意性，但是通過加強(qiáng)設(shè)備技術(shù)管理工作也可以降低其發(fā)生的機(jī)率。 爆管類型及特點(diǎn) 通過故障事故的分析，引起鍋爐四管爆漏可歸納如下幾方面原因： ? 超溫過熱：短期過熱；長期超溫。 ? 磨損：管內(nèi)工質(zhì)磨損；爐內(nèi)飛灰、吹灰磨損。 ? 腐蝕：管內(nèi)壁腐蝕；煙氣側(cè)腐蝕；應(yīng)力腐蝕。 ? 疲勞：振動(dòng)疲勞；熱疲勞；腐蝕疲勞。 ? 質(zhì)量缺陷：焊接缺陷；材料缺陷。 ? 異種鋼焊接及機(jī)械損傷。 四管爆漏原因及機(jī)理分析 引起四管爆漏的原因很多，包括設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行及煤種等多方面，某一四管爆漏故障往往非單一因素所致，而是多種因素同時(shí)存在并交互作用的結(jié)果。根據(jù)全國大機(jī)線鍋爐四管爆漏事故的統(tǒng)計(jì)，磨損、焊縫、過熱、腐蝕、拉裂等是引起鍋爐四管爆漏的主要原因。 一 、 超溫過熱 (一 ) 類型 1. 短期過熱： 受熱面的工作溫度短時(shí)超過材料的下臨界溫度時(shí) ， 材料強(qiáng)度明顯下降 ，在內(nèi)壓力作用下發(fā)生脹管和爆管現(xiàn)象 。 2. 長期超溫 ：受熱面的工作溫度處于設(shè)計(jì)允許溫度以上而低于材料的下臨界溫度 ，在內(nèi)壓力作用和長時(shí)間高溫高壓條件下產(chǎn)生塑性變形和蠕度 （ 局部脹粗 ） ， 最后導(dǎo)致爆管 。 (二 ) 超溫過熱的主要原因 1. 熱偏差的影響： 氣粉分配不均勻 、 爐膛火焰中心偏移 ， 造成爐膛出口的煙氣溫度偏差較大；受水冷壁吸熱影響 ， 使?fàn)t膛出口處中間煙氣溫度高于兩側(cè) ， 造成局部受熱面的熱負(fù)荷過高 。 2. 蒸汽質(zhì)量流速設(shè)計(jì)偏低和流量分配不均勻 。 3. 管內(nèi)嚴(yán)重結(jié)垢或被異物 （ 金屬碎片 、 焊渣 、 泥砂等 ） 阻塞而使蒸汽流量減少或停滯 。 完全堵塞會(huì)造成短時(shí)超溫破壞 ， 部分阻塞或流通不暢 ， 經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成長期超溫蠕變損壞 。 4. 煤質(zhì)的影響： 實(shí)際燃煤發(fā)熱量低于鍋爐設(shè)計(jì)用煤時(shí) ， 要滿足鍋爐的設(shè)計(jì)出力 ， 須增加燃煤量 ， 而制粉細(xì)度受到設(shè)計(jì)出力的限制 ， 粗煤粉顆粒影響爐內(nèi)的著火和燃燒 ，使火焰中心上移 ， 爐膛出口煙溫升高 。 5. 三次風(fēng)量大及鍋爐漏風(fēng)的影響 ：爐底除渣門經(jīng)常開啟 ， 爐底漏風(fēng)量加大以及三次風(fēng)量大均造成火焰中心上移 ， 使過熱器管壁溫度升高 。 6. 高壓加熱器投入率低 ， 給水溫度低于設(shè)計(jì)值 ， 為維持鍋爐的設(shè)計(jì)出力 ， 勢必要加大鍋爐的進(jìn)煤量 ， 這樣會(huì)引起過熱汽溫上升 ， 造成過熱器管壁超溫 。 7. 設(shè)計(jì)制造方面的原因 ：設(shè)備制造缺陷或材料成份偏析而導(dǎo)致受熱面局部超溫 。 8. 運(yùn)行因素： 減溫器投入不當(dāng) ， 造成部分管段過熱；升爐時(shí)爐火 、 汽溫控制不嚴(yán) ， 使低溫過熱器超溫；鍋爐啟 、 停 ， 鍋爐負(fù)荷過低 、 負(fù)荷變化過快 、 甩負(fù)荷 、 旁路投入不及時(shí)等 ， 使再熱器過熱燒損 。 ， 使傳熱效果下降 ， 造成管壁金屬過熱 ，性能降低 。 ， 造成下游管子得不到足夠的冷卻 。 ? 過熱是受熱面運(yùn)行溫度超過了該金屬的許用溫度，其顯微組織發(fā)生了變化，出現(xiàn)珠光體球化、石墨化及熱脆性等，大大地降低了金屬的許用應(yīng)力。這時(shí)受熱面管在內(nèi)壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力就有可能大于金屬的許用應(yīng)力。在長期高溫高壓的條件下產(chǎn)生塑性變形和蠕變，最后導(dǎo)致爆管。 二 、 磨損 磨損引起的爆漏占比例也是比較大的 。 磨損有飛灰磨損和機(jī)械磨損 ， 以飛灰磨損為主 。飛灰磨損與爐型結(jié)構(gòu) 、 受熱面布置方式 、 煙氣流速 、 制造安裝質(zhì)量 、 煤灰特性 、 煙氣含塵濃度等多種因素有關(guān) ， 它主要表現(xiàn)在受熱面結(jié)構(gòu)布置或煙氣通道被積灰阻塞造成局部流通阻力小 ， 或管夾燒損 、 變形后出現(xiàn)管排散亂 、 出列 ， 這些均會(huì)形成煙氣走廊造成局部煙速過大 ， 還有管排錯(cuò)列布置 、 設(shè)計(jì)煙速高或運(yùn)行中采用過大的過剩空氣量而使煙速過高等 。 (一 ) 類型 1. 飛灰磨損 ：煙氣中燃燒氣體和飛灰構(gòu)成氣 — 固兩相流對管壁進(jìn)行沖刷和切削 ， 這種對管壁造成的磨損危害甚大 。 2. 吹灰器造成的磨損 ：鍋爐運(yùn)行要求吹灰器 （ 利用高壓水或蒸汽 ） 定時(shí)將受熱面管壁沉積的煤灰 、 污垢吹掃干凈 ， 以改善傳熱 ， 但若吹灰器安裝或運(yùn)行操作不當(dāng)?shù)仍?， 會(huì)造成對管壁的磨損損傷 。 吹灰器吹灰行程不夠 ， 吹灰角度不準(zhǔn) ， 吹灰蒸汽溫度過高 、 壓力過大 ， 吹灰器與受熱面管壁距離太近 ， 吹灰器故障卡澀退不回原位 、 吹灰器閥門內(nèi)漏 ， 吹灰器定點(diǎn)吹掃時(shí)間過長等是吹灰器附近或下方受熱面管爆漏的主要原因 。 3. 振動(dòng)磨損 ：屏式過熱器管夾經(jīng)常燒損 ， 導(dǎo)致管排零亂 ， 過熱器受熱面固定不牢 ， 運(yùn)行中管圈出位發(fā)生振動(dòng)造成管子間的機(jī)械磨損 。 4. 管內(nèi)汽水沖刷 ：汽水流速很快 ， 不斷對換熱器管內(nèi)壁進(jìn)行沖刷 ， 在管道拐彎處尤為嚴(yán)重 (二 ) 飛灰的磨損機(jī)理 飛灰和煙氣構(gòu)成的氣 — 固兩相流 （ 含 SiO Fe2O Al2O3等 ） 對管壁造成兩種磨損：塑性磨損和切削磨損 。 塑性磨損是固體顆粒長期重復(fù)撞擊管壁 ， 金屬自行脫落形成班點(diǎn)磨坑；切削磨損是氣 — 固兩相流高速運(yùn)動(dòng)中 ， 灰粒切削管壁危害性極大的磨損 。 管壁的磨損量可按下式計(jì)算： g/m2 (31) 式中 T—— 管壁表面單位面積造成的磨損量 c—— 飛灰磨損性系數(shù) ?—— 飛灰撞擊管壁的機(jī)率 ?—— 煙氣中的飛灰濃度 g/m2 w—— 飛灰速度 ， 以煙氣流速替代 ?—— 鍋爐的運(yùn)行小時(shí)數(shù) 1. 飛灰速度 （ w） 的影響 管壁的磨損正比于飛灰沖擊管壁時(shí)的動(dòng)能 mw2， m為飛灰質(zhì)量 （ 等于飛灰濃度與體積的乘積 ） 。 當(dāng)飛灰速度 （ 或煙氣流速 ） 達(dá)到 30~40m/s時(shí)磨損最嚴(yán)重 ， 在 1?104~5?104h期間有可能使管子磨穿 。 煙氣中的飛灰顆粒冷卻到 700℃ 以下 ， 其硬度增大 ， 高速較大硬度的飛灰對受熱面的磨削 ，逐漸減薄管壁以致爆管 。 局部煙氣流速過高或煙氣不均勻流動(dòng)均會(huì)加劇受熱面的磨損損傷 。 ??? ????? 2wcT2. 飛灰濃度 （ ?） 的影響 （ 32） 式中 Ay—— 燃煤中的灰分 ?fh—— 飛灰占總含灰量的份額 Vy—— 燃料燃燒后的容積 （ m3/kg） (主要決定于燃料中的碳?xì)浜?) 由上可知 ， 燃用比設(shè)計(jì)煤種灰份高的低質(zhì)煤是飛灰濃度增加的根本原因 3. 灰磨損性系數(shù) （ C） 的影響 C與飛灰物理性能有關(guān) ， 在同等煙速 、 飛灰濃度下 ， 省煤器的磨損大于過熱器的磨損 。 因?yàn)槭∶浩魈幍臒煖氐陀谶^熱器煙溫 ， 加之漏風(fēng)加速飛灰冷卻變硬 ， 若再出現(xiàn)不完全燃燒 ， 飛灰中固定碳增加 ， 這樣既加大了飛灰濃度 ， 又增加了灰粒硬度 ，加劇受熱面磨損 。 4. 飛灰撞擊管壁的機(jī)率 （ ?） 的影響 飛灰慣性 mw2大 ， 撞擊機(jī)率高；煙氣粘度小 ， 撞擊機(jī)率 高 。 以 660MW機(jī)組鍋爐為例，估算流經(jīng)省煤器的灰量： 鍋爐在 MCR工況下每小時(shí)燃用含灰量 13%的國產(chǎn)煤 262噸 ，若按飛灰份額 90%， 年運(yùn)行 6000小時(shí)計(jì) ， 流經(jīng)受熱面的灰量將為 。 如省煤器設(shè)計(jì)使用年限為 10萬小時(shí) ， 在此期間流經(jīng)省煤器的灰量將高達(dá) 。 處于分散狀態(tài)隨同煙氣流動(dòng)的這無數(shù)個(gè)具有一定硬度的灰粒 ，對受熱面每一次碰擊都將剝落微量的管壁面金屬 。 通過估算 ， 可以發(fā)現(xiàn)流經(jīng)省煤器受熱面的灰量是十分驚人的 ，而含灰量的增加對設(shè)備會(huì)造成更嚴(yán)重的磨損 。 (三 ) 磨損故障的相關(guān)因素 1. 煤質(zhì)的影響 若燃用煤質(zhì)灰分高于設(shè)計(jì)值 ， 因制粉設(shè)備出力的限制 ， 煤粉直徑大的粗顆粒將加劇對受熱面管壁的沖刷磨損 。 2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素 煙氣直接沖刷管子彎頭和局部煙速過高 ， 會(huì)造成爐后包復(fù)管及彎頭的嚴(yán)重磨損 。 3. 煙氣走廊的影響 因設(shè)計(jì) 、 安裝 、 檢修質(zhì)量諸原因 ， 低溫再熱器與煙道的后墻包復(fù)和兩側(cè)包復(fù)管之間的間隙較大 ， 形成了 “ 煙氣走廊 ” ， 加速了包復(fù)過熱器的磨損 。 4. 對流過熱器積灰渣的影響 對流過熱器積灰渣阻塞煙氣通道 ， 使未堵部份煙氣流速急劇增加 ， 造成該區(qū)域受熱面管壁的嚴(yán)重磨損 。 5. 管材選用不當(dāng)?shù)挠绊? 某電廠引進(jìn)法國 330MW配套鍋爐 ， 中溫過熱器布置在折焰角附近的高煙速 、 高熱負(fù)荷區(qū) ， 管道選材只注意熱強(qiáng)性 ， 而忽略了耐磨性的要求 ， 外圈管段選用的奧氏體鋼不耐磨 ，中溫再熱器用于管排定距的水冷卻隔離管選用了非耐磨鋼 ， 造成多次因磨損而爆管 。 6. 爐膛設(shè)計(jì)高度偏低 ， 導(dǎo)致爐