【正文】 電廠鍋爐設備故障分析與識別 丘紀華 華中科技大學 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)供電和技術經(jīng)濟指標影響很大。 從我國近年來大型電站機組設備事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，鍋爐設備事故中“四管”爆漏的事故所占比例較大，在所發(fā)生的非計劃停運事故中，有近一半是鍋爐“四管”爆漏造成的。 鍋爐“四管”爆漏對機組可用率的影響， NERC（北美電力可靠性委員會）的統(tǒng)計分析表明，每減少 1%的可用率意味著 3000~7000萬美元的經(jīng)濟損失。因此，如何更加有效地開展鍋爐“四管”爆漏防治工作，提高設備的可用率，進而提高企業(yè)經(jīng)濟效益是一個具有現(xiàn)實意義的課題。 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 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 華中地區(qū)火電機組 “ 四管爆漏 ” 技術原因分類統(tǒng)計 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. 四管爆漏原因及機理分析 數(shù)據(jù)的分析和歸類 盡管鍋爐“四管”爆漏的機理復雜，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。這類問題一般與運行時間相關，隨著機組運行累計時間的延長和設備的老化，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行中的短期異常問題引起，比如運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)生機率和機組的運行時間無關。 區(qū)分了以上 3類爆管的特點，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，針對爆漏失效機理可采取相應的預防、控制措施。 第 2類爆管問題可以通過加強質(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，但是通過加強設備技術管理工作也可以降低其發(fā)生的機率。 爆管類型及特點 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；應力腐蝕。 ? 疲勞：振動疲勞；熱疲勞；腐蝕疲勞。 ? 質(zhì)量缺陷：焊接缺陷；材料缺陷。 ? 異種鋼焊接及機械損傷。 四管爆漏原因及機理分析 引起四管爆漏的原因很多，包括設計、制造、安裝、檢修、運行及煤種等多方面，某一四管爆漏故障往往非單一因素所致，而是多種因素同時存在并交互作用的結(jié)果。根據(jù)全國大機線鍋爐四管爆漏事故的統(tǒng)計，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超過材料的下臨界溫度時 ， 材料強度明顯下降 ，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計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 ， 使爐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荷過高 。 2. 蒸汽質(zhì)量流速設計偏低和流量分配不均勻 。 3. 管內(nèi)嚴重結(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 。 完全堵塞會造成短時超溫破壞 ， 部分阻塞或流通不暢 ， 經(jīng)一段時間運行會造成長期超溫蠕變損壞 。 4. 煤質(zhì)的影響： 實際燃煤發(fā)熱量低于鍋爐設計用煤時 ， 要滿足鍋爐的設計出力 ， 須增加燃煤量 ， 而制粉細度受到設計出力的限制 ， 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. 三次風量大及鍋爐漏風的影響 ：爐底除渣門經(jīng)常開啟 ， 爐底漏風量加大以及三次風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 ， 給水溫度低于設計值 ， 為維持鍋爐的設計出力 ， 勢必要加大鍋爐的進煤量 ， 這樣會引起過熱汽溫上升 ， 造成過熱器管壁超溫 。 7. 設計制造方面的原因 ：設備制造缺陷或材料成份偏析而導致受熱面局部超溫 。 8. 運行因素： 減溫器投入不當 ， 造成部分管段過熱；升爐時爐火 、 汽溫控制不嚴 ， 使低溫過熱器超溫；鍋爐啟 、 停 ， 鍋爐負荷過低 、 負荷變化過快 、 甩負荷 、 旁路投入不及時等 ， 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力。這時受熱面管在內(nèi)壓力作用下產(chǎn)生的應力就有可能大于金屬的許用應力。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 ， 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 ， 這些均會形成煙氣走廊造成局部煙速過大 ， 還有管排錯列布置 、 設計煙速高或運行中采用過大的過?？諝饬慷篃熕龠^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 ：鍋爐運行要求吹灰器 （ 利用高壓水或蒸汽 ） 定時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行操作不當?shù)仍?， 會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 ， 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 ， 吹灰器定點吹掃時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. 振動磨損 ：屏式過熱器管夾經(jīng)常燒損 ， 導致管排零亂 ， 過熱器受熱面固定不牢 ， 運行中管圈出位發(fā)生振動造成管子間的機械磨損 。 4. 管內(nèi)汽水沖刷 ：汽水流速很快 ， 不斷對換熱器管內(nèi)壁進行沖刷 ， 在管道拐彎處尤為嚴重 (二 ) 飛灰的磨損機理 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撞擊管壁 ， 金屬自行脫落形成班點磨坑；切削磨損是氣 — 固兩相流高速運動中 ， 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 ?—— 鍋爐的運行小時數(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的動能 mw2， m為飛灰質(zhì)量 （ 等于飛灰濃度與體積的乘積 ） 。 當飛灰速度 （ 或煙氣流速 ） 達到 30~40m/s時磨損最嚴重 ， 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均會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氫含量 ) 由上可知 ， 燃用比設計煤種灰份高的低質(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 ， 在同等煙速 、 飛灰濃度下 ， 省煤器的磨損大于過熱器的磨損 。 因為省煤器處的煙溫低于過熱器煙溫 ， 加之漏風加速飛灰冷卻變硬 ， 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. 飛灰撞擊管壁的機率 （ ?） 的影響 飛灰慣性 mw2大 ， 撞擊機率高；煙氣粘度小 ， 撞擊機率 高 。 以 660MW機組鍋爐為例，估算流經(jīng)省煤器的灰量： 鍋爐在 MCR工況下每小時燃用含灰量 13%的國產(chǎn)煤 262噸 ，若按飛灰份額 90%， 年運行 6000小時計 ， 流經(jīng)受熱面的灰量將為 。 如省煤器設計使用年限為 10萬小時 ， 在此期間流經(jīng)省煤器的灰量將高達 。 處于分散狀態(tài)隨同煙氣流動的這無數(shù)個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備會造成更嚴重的磨損 。 (三 ) 磨損故障的相關因素 1. 煤質(zhì)的影響 若燃用煤質(zhì)灰分高于設計值 ， 因制粉設備出力的限制 ， 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)設計因素 煙氣直接沖刷管子彎頭和局部煙速過高 ， 會造成爐后包復管及彎頭的嚴重磨損 。 3. 煙氣走廊的影響 因設計 、 安裝 、 檢修質(zhì)量諸原因 ， 低溫再熱器與煙道的后墻包復和兩側(cè)包復管之間的間隙較大 ， 形成了 “ 煙氣走廊 ” ， 加速了包復過熱器的磨損 。 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)域受熱面管壁的嚴重磨損 。 5. 管材選用不當?shù)挠绊? 某電廠引進法國 330MW配套鍋爐 ， 中溫過熱器布置在折焰角附近的高煙速 、 高熱負荷區(qū) ， 管道選材只注意熱強性 ， 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. 爐膛設計高度偏低 ， 導致爐