大型电站锅炉过热器爆管原因综述及对策

大型电站锅炉过热器爆管原因综述及对策 Causes Summ ary and Counterm easures for Superheater Tube Blasting of L arge U tility Boilers 哈尔滨工业大学 王 莹 吴少华 秦裕琨 (哈尔滨150001) 哈尔滨市房地局锅炉检验所 李长志 (哈尔滨150000) 东北电力学院 解海龙 (吉 林132012) 【摘要】 从设计、 制造、 安装、 维修和运行几个方面 分析了过热器爆管的直接原因,从管子失效的机理 方面提出了过热器爆管的根本原因,并且给出了预 防措施。 【关键词】 电站锅炉 过热器 泄漏 爆管 Abstract The direct causes for superheater tube blasting are analyzed in term s of design,manufacture, erection,maintenance and operation. The fundamental causes for superheater tube blasting are put forward from the ineffectivenessmechanism point of view, and preventive measures are given as well . Key words utility boilers superheater leakage tube blasting 0 前言 随着我国电力工业建设的迅猛发展,各种类型 的大容量火力发电机组不断涌现,锅炉结构及运行 更加趋于复杂,不可避免地导致并联各管内的流量 与吸热量发生差异。当工作在恶劣条件下的承压受 热部件的工作条件与设计工况偏离时,就容易造成 锅炉爆管。 目前,大型电站锅炉爆管事故(BTF)已成为当 前威胁发电设备稳定运行的突出矛盾。据统计,“七 五” 期间全国200 MW以上机组共发生锅炉事故 1 976次,其中锅炉爆漏事故为1 417次,占锅炉事 故的72% 1。在锅炉爆管事故中因过热器爆管造成 的事故损失最大,而且随着旧机组服役时间的增加 及新机组投产量和参数的提高,这类事故还有逐年 上升的趋势,是影响安全发供电的主要因素。因此, 研究和防止过热器爆管已成为保证火电厂安全经济 运行和提高经济效益的关键课题。 事实上,当爆管发生时常采用所谓快速维修的 方法,如喷涂或衬垫焊接来修复,一段时间后又再爆 管。 爆管在同一根管子、 同一种材料或锅炉的同一区 域的相同断面上反复发生,这一现象说明锅炉爆管 的根本问题还未被解决。 因此,了解过热器爆管事故 的直接原因和根本原因,搞清管子失效的机理,并提 出预防措施,减少过热器爆管的发生是当前的首要 问题。 1 过热器爆管的直接原因 造成过热器爆管的直接原因很多,下面从设计、 制造安装检修和运行3个方面进行讨论。 111 设计因素 11111 四角切圆燃烧方式本身所固有的缺陷。 四角 切圆燃烧的炉内旋转上升气流由炉膛出口进入对流 烟道时,存在相当强的残余旋转,引起对流烟道两侧 的烟速差和烟温差,使烟道内热负荷分布不均,从而 导致过热器超温爆管。 11112 设计选用系数不合理。如华能上安电厂由 B外壁氧化皮110 mm ,又使管壁减薄,因此爆管 频繁17。 11319 燃煤灰分高。如山东十里泉电厂的SG400? 1402M 413型锅炉,燃煤灰分高达37111% ,长期运 行造成磨损爆管18。 113110 高压加热器投入率低。如江西景德镇电厂 SG220210021型煤粉炉的高压加热器长期投用不正 常,给水温度为150160,一直未达到设计要求 的215,使过热蒸汽温度升高,造成超温爆管19。 2 过热器爆管的根本原因及对策 美国电力研究院把锅炉爆管机理分成6大类, 共22种(见表 1) 。 表1 锅炉爆管机理 应力断裂短期过热+、 高温蠕变、 异种钢焊接+ 水侧腐蚀苛性腐蚀、 氢损伤+、 孔蚀+、 应力腐蚀裂纹 烟气侧腐蚀低温腐蚀、 水冷壁腐蚀、 煤灰腐蚀、 油灰腐蚀 磨损飞灰磨损+、 落渣磨损、 吹灰磨损+、 煤粒磨损+ 疲劳振动疲劳、 热疲劳+、 腐蚀疲劳+ 质量缺陷维修损伤+、 化学偏离、 材料缺陷+、 焊接缺陷+ 注: +失效机理受维护行为的影响; 失效机理受循环化学剂的影响。 结合我国电站锅炉过热器爆管事故实际,把电 站锅炉过热器爆管归纳为以下9种不同的机理: 211 长期过热 管壁温度长期处于设计温度以上而低于材料的 下临界温度,超温幅度不大但时间较长,锅炉管子发 生碳化物球化、 管壁氧化减薄、 持久强度下降、 蠕变 速度加快,使管径均匀胀粗,最后在最薄弱部位导致 脆裂的爆管现象。长期超温爆管根据工作应力水平 可分为3种:高温蠕变型、 应力氧化裂纹型、 氧化减 薄型。 主要发生在高温过热器的外圈向火面,不正常 情况下,低温过热器也可能发生。 导致长期过热的原因有:管内汽水流量分配不 均;炉内局部热负荷偏高;管子内部结垢;异物堵塞 管子;错用材料;最初设计不合理等。 对高温蠕变型可通过改进受热面、 使介质流量 分配合理;改善炉内燃烧、 防止燃烧中心偏高;进行 化学清洗,去除异物、 沉积物等方法预防。对应力氧 化裂纹型因管子寿命已接近设计寿命,可将损坏的 管子予以更换。对氧化减薄型应完善过热器的保护 措施。 212 短期过热 当管壁温度超过材料的下临界温度时,材料强 度明显下降,在内压力作用下,发生胀粗和爆管现 象,常发生在过热器的向火面直接和火焰接触及直 接受辐射热的受热面管子上。 导致短期过热的原因有:管内汽水流量严重分 配不均;炉内局部热负荷过高;管子内部严重结垢; 异物严重堵塞管子;错用材料;最初设计不合理等。 72 第31卷 大型电站锅炉过热器爆管原因综述及对策 1998年第10期 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 预防短期过热的方法有改进受热面,使介质流 量分配合理;稳定运行工况,改善炉内燃烧,防止燃 烧中心偏离;进行化学清洗,去除异物、 沉积物;防止 错用钢材,发现错用及时采取措施。 213 磨损 包括飞灰磨损、 落渣磨损吹灰磨损和煤粒磨损。 以飞灰磨损为例,是指飞灰中夹带Si O2、FeO3、 A l2O3等硬颗粒高速冲刷管子表面,使管壁减薄爆 管。 常发生在过热器烟气入口处的弯头、 出列管子和 横向节距不均匀的管子上。 导致磨损的原因有:燃煤含灰量高,飞灰中夹带 硬颗粒;烟速过高或局部烟速过高;烟气含灰浓度分 布不均,局部灰浓度过高。 通常采用减少飞灰撞击管子的数量、 速度或增 加管子的抗磨性来防止飞灰磨损,如:通过加屏等方 法改变流动方向和速度场;加设装炉内除尘装置;杜 绝局部烟速过高;在易磨损管子表面加装防磨盖板。 还应选用适于煤种的炉型、 改善煤粉细度、 调整好燃 烧、 保证燃烧完全。 214 汽侧的氧腐蚀 在腐蚀介质和循环应力的共同作用下,管内的 介质由于水中氧的去极化作用,发生电化学反应,在 管内的钝化膜破裂处发生点蚀。 主要在停炉时产生, 先在过热器的管弯头内壁产生点状或坑状腐蚀,然 后扩散到外表面。 导致氧腐蚀的原因有:弯头的应力集中,促使点 蚀产生;下弯头停炉时积水;管内介质中含有少量碱 游离的CO2;装置启动和化学清洗次数过多。 防止氧腐蚀应注意停炉保护;新炉起用时,应进 行化学清洗,去除铁锈和脏物,在内壁形成一层均匀 的保护膜;使水质符合标准,适当减小p值或增加锅 炉中氯化物和硫酸盐的含量。 215 应力腐蚀裂纹 在介质含氯离子和高温条件下,由于静态拉应 力或残余应力作用产生的管子破裂现象。常发生在 过热器的高温区管和取样管。 导致应力腐蚀裂纹的原因有:介质中含氯离子、 高温环境和受高拉应力;在湿空气的作用下,也会造 成应力腐蚀裂纹;启动和停炉时,可能有含氯和氧的 水团进入钢管;加工和焊接引起的残余应力引起的 热应力。 防止应力腐蚀裂纹应注意去除管子的残余应 力;加强安装期的保护,注意停炉时的防腐;防止凝 汽器泄漏,降低蒸汽中的氯离子和氧的含量。 216 热疲劳 炉管因锅炉启停引起的热应力、 汽膜的反复出 现和消失引起的热应力和由振动引起的交变应力作 用而发生的疲劳损坏,常发生在过热器高热流区域 的管子外表面。 导致热疲劳的原因有:炉膛使用水吹灰,管壁温 度急剧变化,产生热冲击;超温导致管材的疲劳强度 严重下降;按基本负荷设计的机组改变为调峰运行。 防止热疲劳产生的措施有改变交变应力集中区 域的部件结构;改变运行参数以减少压力和温度梯 度的变化幅度;设计时应考虑间歇运行造成的热胀 冷缩;避免运行时机械振动;调整管屏间的流量分 配,减少热偏差和相邻管壁的温度;适当提高吹灰介 质的温度,降低热冲击。 217 高温腐蚀 V2O5和N a2SO4等低熔点化合物破坏管子外 表面的氧化保护层,与金属部件相互作用,在界面上 生成新的松散结构的氧化物,使管壁减薄,导致爆 管,常发生在过热器及吊挂和定位零件的向火侧外 表面。 导致高温腐蚀的原因有:燃料中含有V、N a和 S等低熔点化合物;局部烟温过高,腐蚀性的低熔点 化合物粘附在金属表面,导致高温腐蚀;腐蚀区内的 覆盖物、 烟气中的还原性气体和烟气的直接冲刷,将 促进高温腐蚀。 解决高温腐蚀的方法有控制局部烟温,防止低 熔点腐蚀性化合物贴附在金属表面上;使烟气流程 合理,尽量减少热偏差;在燃煤锅炉中加入CaSO4 和M gSO4等附加剂;易发生高温腐蚀的区域采用 表面防护层或设置挡板。 218 异种金属焊接 焊接接头处因2种金属的蠕变强度不匹配,使 异种金属焊接界面断裂失效。常发生在过热器出口 2种金属的焊接接头处,当焊缝的蠕变强度相当于 其中一种金属的蠕变强度时,断裂发生在另一种金 属的焊缝界面上。 稳定运行是减少异种金属焊接失效最关键的因 素; 2种金属焊接时,在其中加入具有中间蠕变强度 的过渡段,使焊缝界面两侧蠕变强度差值明显减少; 在过渡段的两侧选用性质不同的焊条,使其分别与 2种金属的性质相匹配。 219 质量控制失误 在制造、 安装、 运行中由于外界失误的因素所造 成的损坏。导致质量控制失误的原因有:维修损伤; 82 1998年第10期 中 国 电 力 第31卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 化学清理损伤;管材缺陷(管材金属不合格或错用管 材 ); 焊接缺陷等。 加强电厂运行、 检修及各种制度的 管理是防止质量控制失误出现的有效手段。 3 结论 造成大型电站锅炉过热器爆管的原因很多,只 有对过热器爆管的直接原因和根本原因进行综合分 析,才能从根本上解决锅炉爆管问题,有效地防止锅 炉过热器爆管事故的发生。 4 参考文献 1 卢尔康.大容量电站锅炉 “四管” 爆漏调研情况简介 1 安徽电力技 术情报, 1994, 4 2 薛国琪. 350 MW机组锅炉过热器的超温与改造.动力工程, 1993, 5 3 刘振联.金竹山电厂1号锅炉过热器爆管原因分析.山西电力技 术, 1993, 4 4 刘纯江.淮北电厂5号炉过热器超温和爆管的原因分析.华东电 力, 1983, 4 5 刘如铁. HG2670?14029型锅炉受热面超温原因分析.全国200 MW火电机组第七届年会资料汇编, 1987, 12 6 余政章等.荆门热电厂4号炉对流过热器爆管分析.湖北电力技 术, 1985, 1 7 曹 刚.靖远电厂200 MW火电机组承压部件爆漏事故统计与 原因分析.全国第四届电站金属构件失效分析与寿命管理学术 会议论文集 8 钱新任.谏壁电厂1 000 t?h锅炉 “四管” 爆破综析.中国电力, 1993, 5 9 汤 潞.我厂670 t?h锅炉 “四管” 泄漏的分析和处理.江苏电机 工程, 1993, 3 10 锅炉 “四管” 泄漏原因分析及对策.长春热电二厂, 1994, 10 11 施柏泉.镇海发电厂六号锅炉四管爆漏事故原因分析.浙江电 力, 1993, 2 12 采取措施减少锅炉 “四管” 泄漏.浑江发电厂, 1994, 10 13 徐海宁.石嘴山发电厂9号炉屏式过热器爆管事故分析.宁夏电 力, 1993, 3 14 聂勤俭.来阳电厂1993年上半年锅炉爆管原因分析与防治对 策.湖南电力技术, 1993, 5 15 郁 斌. 130 t?h高压锅炉过热器爆管原因分析对对策.湖南电 力技术, 1993, 5 16 奚京耆.锅炉承压部件爆破规律的探索及对策.全国第三届电站 金属构件失效分析与寿命管理学术会议论文集 17 吴跃明等. 1 000 t?h直流炉水冷壁、 屏式和高温过热器运行分 析.华东电力, 1994, 6 18 赵