煤粉锅炉三管泄漏的分析与防治VIP

煤粉锅炉三管泄漏原因分析及防治措施卓敏鹏摘 要：锅炉是火力发电厂的三大主机之一。本文主要介绍电站煤粉锅炉“三管”泄漏的原因及防治措施。“三管”内外介质一直处于流动状态，对各部受热面的内外冲刷必然导致管道的磨损。而如何降低磨损速度，防止受热面泄漏一直是设计院及各电站的重点努力方向。在发电机组的非计划停运统计中，锅炉三管泄漏占30以上，不仅严重影响电厂的经济性，多次的启停对锅炉的安全使用寿命也影响巨大。关键词：锅炉 三管 泄漏 防治 1 绪论：电站中压煤粉锅炉关键部件主要是锅炉的“三管”，即水冷壁、省煤器和过热器。三管直接承担着锅炉的全部蒸发任务，是锅炉完成由给水转化为合格干蒸汽的主要部件，也是自燃循环锅炉的主要受热面。三管内的介质通过吸热蒸发推动整个给水流动。由于三管直接和外部燃烧的流动介质接触，内部受给水流动的冲刷。外部燃烧后的飞灰磨损和内部流体的冲刷，导致其管壁在运行中逐渐变薄。当管壁减薄到一定程度，不能承受内部流体的压力时，就会出现爆裂，较高压力的介质直接喷向接近大气压的炉膛内部，同时可能导致附近其他管道因冲刷而泄漏，封闭循环被打破，后面管道内介质流动变缓，将进一步影响到整个循环的正常进行，锅炉会被迫停运，机组稳定运行中止。三管泄漏直接影响到锅炉及发电机组的安全运行和发电量，是电站非计划停运的主要因素。因此查找三管泄漏的原因，从根本上治理三管泄漏，是发电厂提高安全稳定运行的关键。本文通过分析锅炉安装质量、飞灰磨损、腐蚀等从不同侧面分析三管泄漏的原因，并结合中铝河南分公司热力厂运行的2台150t/h、1台160t/h中压煤粉锅炉产生的三管泄漏，统计分析历年来泄漏发生的频率和部位，查找三管泄漏的原因，并积极采取相应的防治措施。2 三管泄漏分析电站锅炉三管泄漏问题一直是困扰锅炉设备的头等问题，特别是尾部烟道内部设备，长时间在烟气冲刷情况下，随着锅炉运行时间的推移，飞灰磨损、热腐蚀、金属疲劳等综合因素的影响，导致其使用寿命不断降低，因此根治三管泄漏也是非常困难的事情，但是仍然可以通过采取一定的手段降低泄漏的发生率，比如采取防磨措施、调整燃烧工况、减少锅炉冷热交替次数等。根据现在电站使用自然循环锅炉的情况，影响锅炉受热面泄漏及寿命的主要因素有以下几个方面：2.1安装质量锅炉的设计通常都能从各方面考虑三管受热承压部件的泄漏问题，但在安装过程中受具体现场位置的限制，会存在许多不能及时发现和消除的缺陷，影响到三管承压部件的寿命，特别是新安装的锅炉部件安装质量引起的三管泄漏比较普遍。首先是各部接口的焊接质量。随着各电厂对经济效益的强烈需求，安装一台锅炉的时间由原设计的两年压缩到一年左右，安装一套省煤器由原来的一个月压缩至几天，安装工期的压缩，导致安装单位投入更多的人力来赶工期。安装过程中诸多的管道并不是每一个焊口都有足够的位置来按照工艺施工，对于管排位置不好的焊接部位，金属监督不能全面涉及到，会存在生拉硬拽等一些严重影响焊接质量的问题，若不能及时被发现，则为今后的运行埋下了隐患，一般在运行一年以后就会明显地暴露出来。从热力厂自2001年7月份6#炉提产改造投产以来的三管泄漏问题可以看出，80的泄漏为原安装焊口质量问题导致。从20022005年以来6#炉的189次承压部件泄漏中有112次为原始安装的焊口泄漏导致，占整个泄漏的59.3。其次为管排的安装质量，管排安装不够均匀，存在较大的烟气走廊，导致该部位烟气流速加剧，增加了对管道的冲刷。特别是省煤器的安装中存在烟气走廊较多，两侧墙处和前后墙部位烟气走廊没有处理好，流通通道较大，侧墙、后墙部位的管道磨损严重。如7#锅炉出现高低温段省煤器侧、后墙管道磨损后爆管频繁。还有就是在安装时对于可能存在烟气走廊和迎风面的管子防磨措施没有处理好，或没有采取相应防磨措施，导致迎风面磨损直接冲刷管排，使其管排迎风面45度范围内强度明显降低，最终爆管。2.2飞灰磨损飞灰磨损是影响受热面泄漏及寿命的主要因素。从外部因素看，原煤为不可再生资源，随着燃煤资源的开发和利用，对火力发电厂的影响也越来越大。原煤中的灰分也越难于控制，在大部分地区电厂，锅炉燃煤的应用基灰分最高可达到45以上，大部分使用的锅炉煤应用基灰分也在25%左右。如此高的灰分造成燃烧后飞灰浓度较大，对受热面的磨损也是相当严重。热力厂锅炉燃用75义马矿区和25地方配煤，2004年1月份渑池煤平均应用基灰分为40.08，2月份平均应用基灰分为34.48，3月份平均应用基灰分为38.38，全年平均36.44%。灰分的增加还导致了受热面的积灰存在，特别在省煤器、过热器和水冷壁部位，积灰增加后，如若不能及时被清理，会导致该部位管子传热效果降低，传热效果降低的同时金属壁温也随之降低，在350以下的积灰还能吸附SO2,导致管子的腐蚀加剧。飞灰磨损不仅与煤质有关，而且与原煤的磨制过程也有很大的关系。在制粉系统中，磨制煤粉的钢球损耗和沿途管道的磨耗往往会增加煤粉中铁、锰或其他金属颗粒，这些金属颗粒极不易熔化，特别是煤粉细度越低，金属颗粒越容易随着飞灰进入尾部烟道。其中有些金属颗粒可以在燃烧过程中和原煤中的其他元素发生化学反应后产生更难熔化的物质，随着烟气一同进入烟道，加剧对尾部烟道设备的磨损。从内部因素看，飞灰对三管的磨损与其特性有很大关系。在磨损中起主要作用的是飞灰中那些大的颗粒，同时有足够硬度和锐利棱角的颗粒要比球形颗粒磨损更严重些。飞灰在炉膛内如果没有达到其熔化温度时仍然保持其原有的形状，进入烟道后随着温度的降低，其硬度有所增加，撞击管道的强度加剧，对尾部烟道磨损就加剧。特别是飞灰中的SiO2含量对磨损的程度影响更大，当其含量超过60时，磨损显著加剧。因此锅炉中省煤器的磨损往往比过热器的磨损要快些，因此对低温段受热面的防磨要给予更多的关注。2.3腐蚀性损坏腐蚀性损坏包括腐蚀性热疲劳和低温腐蚀。钢材一直处在高温区域中，其外部接触高温部分的材质组织结构会随着时间的推移发生变化，慢慢向内转移，导致金属结构的变化，其强度有所降低，而蠕变应力升高，塑性降低，遇到外力作用后容易发生裂纹或爆开。发生高温腐蚀的部件主要集中在水冷壁热负荷区域。尾部烟道长期存在二次燃烧也会产生高温腐蚀。低温腐蚀主要发生在尾部烟道内由于烟气温度降低后在个别地方会出现烟气中的酸性气体出现结露形成酸性液体腐蚀管材。受热面上结焦后影响到传热效果后也会导致结露的出现。防止腐蚀在高温区域主要是减少火焰的贴壁燃烧和局部烧偏后长期处在高温状态下。防止低温腐蚀主要是控制好排烟温度，不要过分追求较低的排烟温度，尽可能使排烟温度高于烟气的露点。腐蚀损坏一般可以很好地控制，出现由此引起的三管泄漏不多，在设备运行时间长了以后会出现此类泄漏。2.4机械损伤机械损伤主要指在安装或检修过程中由于人为的原因使金属表面受伤、强度降低或出现应力集中不能承受介质的压力而产生的爆管。检修中焊接管道或对部分管道修复、锅炉打焦等不小心时容易伤到其他管子而没有及时发现，焊接管子没有严格按照焊接工艺进行或热处理没有达到预定的目标也可列为机械损伤。此类泄漏是完全可以避免的，主要是加强检修的责任心和检修时的监督，及时发现和消除损伤的管子。此类损伤造成的三管泄漏情况也有但不多。2.5锅炉的运行工况运行工况对锅炉的影响是长远的，是三管寿命的关键保证，其影响面不仅涉及到受热面的外部条件，对管道的内部影响也不容忽视。首先受热面金属表面的磨损正比于飞灰颗粒的动能和撞击次数，飞灰颗粒的动能同速度的平方成正比，撞击速度同速度的一次方成正比，这样管子金属的磨损速度同烟气流速的三次方成正比（KW3，为磨损速度，克/年，W为烟气流速，米/秒），控制烟气流速可以很好地减少受热面的磨损。烟气流速同锅炉的炉膛负压、风比配合、部件位置分配等因素有关。在保证锅炉安全稳定运行的前提下，尽可能的控制烟气流速。其次调整好介质温度，防止出现超温现象，特别是过热器部位，超温对金属的寿命影响很大。管壁温度长时间超过设计温度时，在高温作用下，导致钢材组织结构变化，蠕变速度加快，强度下降，使用寿命达不到设计要求而提前涨粗爆破损坏。长期超温大多发生在过热器上。短期的超温也会使钢材的抗拉强度急剧下降，在介质压力作用下，温度最高的向火侧首先产生塑性变形，管径涨粗，管壁减薄，随后发生剪切断裂而爆破。短期超温大多发生在水冷壁和凝渣管上，特别是水冷壁管热负荷最高的地方。影响三管寿命的还有燃烧室火焰中心位置不正，偏烧。燃烧室内火焰调整不当，导致火焰偏向一侧冲刷，不仅会使该部位管子超温，还容易造成受热面温度过高后结流焦，造成热腐蚀；烧偏后也相当于形成了烟气走廊，使部分管道间的烟气流速升高，磨损加剧。运行工况的调整对受热面的损害是缓慢的过程，爆管一旦发生往往是很难修复的，不像机械磨损可以通过测厚或其他仪器检测到。3 三管泄漏情况类比下面以改造后3台锅炉三管泄漏情况为例，类比分析三管泄漏的原因。该厂三台北京锅炉厂制造的130t/h煤粉炉，从2001年5月至2002年6月份陆续提产改造，改造后蒸汽参数为: 工作压力3.82MPa、工作温度450、出力两台为150t/h，一台为160 t/h，布置两级过热器、两级省煤器、两级管式空气预热器，无再热器，母管制运行。自2002年6月份投入运行以来三管管泄漏的统计分析情况如下：1、按照年度统计三管泄漏比较图：（注：每泄漏一处记一次，含联箱手孔泄漏，水压实验泄漏不计）从发生的年份看，2001年7#、8#炉改造完毕当年就发生2次泄漏，为省煤器管座焊口；2002年发生29次，28次是安装时焊口质量或设计问题（费斯顿为增加负荷改为三通）引起的漏泄，1次为8#炉高省出口联箱手孔。2003年共发生60次，7#炉最多，主要为省煤器管排设计材质及费斯顿改三通后引起的泄漏，6#、8#炉泄漏多集中在省煤器联箱管座焊口。2004年共发生57次，6#炉多集中在省煤器联箱管座焊口，同年8月中修更换省煤器，水冷壁管机械损伤3处。7#炉联箱管座泄漏11次，9月中修更换省煤器。2005年共发生泄漏43次，6#、8#炉泄露均多集中在省煤器联箱管座（含引出管管座），1次水冷壁变形严重，部分更换，手孔泄漏3次。7#炉费斯顿泄漏较多，均为新增三通长期过热涨粗蠕变裂口。2、按照炉台统计三管泄漏比较图：从各炉情况看，6#炉四年共发生60次泄漏，低温段省煤器发生2次，高温段省煤器连同管座发生43次，过热器发生1次，水冷壁管发生6次（含联箱管座），其余为手孔漏。7#炉共发生74次泄漏，低温段省煤器发生15次，高温段省煤器发生30次，水冷壁发生21次，各手孔泄漏8次。8#炉共发生泄漏55次，高温段省煤器31次，低温段省煤器10次，水冷壁1次，过热器10次，手孔泄漏3次。3、按照三管设备统计比较（注：因过热器相对泄露次数较少，未分级、手孔单列）从三管设备统计方面看，高温段省煤器共泄漏104次，为最多，其中2/3为联箱管座焊口泄漏，其中大约1/2为重复焊接；低省泄漏27次，7#炉因材质问题泄漏居多；水冷壁泄漏发生28次，7#炉费斯顿泄漏占3台炉水冷壁的75%，全部为长期过热胀粗蠕变裂口泄漏，在重新改造取直后基本上消除；6#、7#炉手孔泄漏较多，分析为反复倒停炉子致使其泄漏。从总的泄漏情况看，大部分的管座泄漏为原始焊口焊接质量不佳或安装时存在较大应力致使，原安装的各部联箱管座，安装时焊接位置不好，存在生拉硬拽问题。另外高省泄漏居多还有一个原因，提产改造后，由于原省煤器鳍片材质匹配问题，应力无法消除导致泄漏，特别是6#炉高省汽化导致泄漏次数较多，于2004年8月份对省煤器进行更换后基本上消除了该设备的内部漏泄。但省煤器引出管管座存在变径应力，致使屡次焊接而屡次泄漏。对于低温段省煤器鳍片材质匹配问题导致受热后变形较多，多处出现烟气走廊，磨损严重，局部磨损达到原管壁厚度的75，出现多次的爆管，改造后低省的爆管问题也有了明显的好转。4 防治措施从上面的分析可以看出，安装质量问题各个电厂情况不一样，并不是问题的关键，但本文所提供的特例中可以为正在安装的电厂起到一个警示作用。在建电厂应该做好安装焊接监督工作，尽可能地对所有过程监督，所有焊口探伤检查，要对关键部位的焊缝认真的检测，及早发现存在的问题；同时严格审查焊工的资质，防止在施工中为今后的设备泄漏埋下隐患，特别是单元制机组，锅炉三管的焊接质量对今后的安全运行意义尤为巨大。抓好焊接工艺和质量相当于做好了三管泄漏的一半工作，因此无论是电厂还是电建单位都应该重视对焊工的培训和要求，不仅从焊接工艺上要求，更要强调焊工的责任心，严格按照工艺焊接好每一个焊口。针对三管泄漏存在的原因制定防止泄漏的措施，可以减少三管泄漏的发生。4.1采取防磨措施由于受热面处在流动的烟气中，磨损是在所难免的。做好防磨工作可以减缓受热面的磨损，降低泄漏的发生。防磨的手段是多样的，常用的有加装防磨瓦、涂抹防磨涂料、喷涂防磨层等。在易磨损部位安装防磨瓦是常用的措施，该防磨措施费用低，检修方便，很直观地可以观察到防磨部件的磨损情况，并及时地更换防磨瓦。常用的防磨瓦是采用冲压盖板式，事先根据受热面管子的外径，制作好半圆形钢瓦，焊接在管子上或采用管箍扣在管子上。还有采用角钢式、1/4管式等。采用防磨瓦防磨可以在定期检查中更换变薄的防磨瓦，管子不受影响，特别是采用管箍固定，对管子没有任何伤害，不影响管子的结构和组织，可以很好地保护管子。但采用防磨瓦在安装受热面时把防磨瓦制作好安装上很容易，而在日常检修中，并不是所有的地方都可以更换的，如上下弯头部位就很难在受热面不拆除情况下更换，无论顺列或者错列布置的管道第二排以下的更换比较困难。采用涂抹防磨涂料防磨，检修费用也低，但其寿命不长，防磨程度与施工工艺关系很大。防磨的涂料层一般较厚，对于管排比较密集的省煤器会影响其通流面积，相反会增加烟气走廊部位的冲刷程度；防磨涂料还存在传热效果不好，长期的粘贴在管子上后相当于受热面的结焦一样，会在管子上形成一定的腐蚀；而且涂料在经过几次运行后会出现不同程度的剥离现象，如果有重物落上容易脱落。采用喷涂方法可以不改变流通面积，对于狭小的部位也可以涉及到，防磨层寿命长，外表美观，但费用较高。采用热喷涂后容易改变管子的组织，对喷涂的工艺要求严格，如果工艺不好、喷涂层与管子结合不够严密时，容易在管子热胀冷缩中脱落或起皮影响防磨效果。综合以上分析对于防止飞灰磨损方面最理想的还是采用防磨瓦形式，对受热面的传热效果影响不大，而且随着科技的发展，现在的防磨瓦可以制作得耐磨程度更高，形式更加多样化，成批量生产能力高，检修费用低廉，可以使用在除了水冷壁以外的其他受热面上。另外对于易磨损部位应能提前发现磨损的发展情况，这要求充分利用每一次的停炉检修机会，做好受热面的检查工作。停炉检查部位应侧重于检查以下部位：锅炉受热面经常受机械和飞灰磨损部位(如穿墙管、悬吊管、管卡处管子和省煤器、水平烟道内过热器上部管段等)。易因膨胀不畅而拉裂的部位(如水冷壁四角管子、燃烧器喷口和孔、门弯管周围的管子，工质温度不同而连在一起的包墙管，与烟、风道滑动面连接处的管子等)。受水力或蒸汽吹灰器的水(汽)流冲击的管子及水冷壁或包墙管上开孔装吹灰器部位的邻近管子。屏式过热器、高温过热器等有经常超温记录的管子。对锅炉受热面管子，经检查有下列情况之一时，应予更换，防止磨损或缺陷的发展：1 碳钢和低合金钢管的壁厚减薄大于30%或按下式计算，剩余寿命RL小于一个大修周期的：式中-最近一次测量的壁厚，mm；0-原始管子壁厚，mm； D-管子原始外径，mm；钢材使用温度下的最低蠕变强度极限，MPa； P-管内压力，MPa； C-壁厚减薄速度，mm/h；1上一次测量的壁厚，mm； h-测得和1之间的累计运行时间，h； 碳钢管涨粗超过3.5%D，合金钢管超过2.5%D时； 腐蚀点深度大于壁厚的30%时； 石墨化四级的； 高温过热器表面氧化皮超过0.6mm且晶界氧化裂纹深度超过35晶粒的； 表面裂纹肉眼可见者； 常温机械性能低，运行一个小修间隔后的残余计算壁厚已不能满足强度计算要求的。4.2做好运行调整做好运行调整，控制烟气流速。烟气的流速对受热面的影响很大，因此运行调整首先要控制好烟气流速。在锅炉设计中适当提高烟气流速可以提高受热面的传热效果，可以节省钢材，但将增大通风阻力和烟气的飞灰磨损。控制烟气流速应在保证锅炉燃烧和传热的前提下，尽可能地降低水平烟道处过量空气，控制好炉膛负压，及时调整风量，保证送风和引风的均衡。减少烟气中的飞灰含量也可以降低三管的泄漏几率。烟气中飞灰含量降低后可以很大程度上减少受热面的磨损。随着煤炭的紧张，电厂自主的选择煤种已经不可能，许多地方由于燃煤告急而不得不停机备用的现象从另一个侧面反应了燃煤中的灰分通常不是电厂所能左右的。但进厂后的燃煤通过配比或制粉系统的调整可以减轻烟气中的飞灰量，如采用较细的煤粉细度，降低飞灰的撞击动能，压制火焰高度，使飞灰能够以焦渣的形式沉入炉膛底部的捞渣机中等。在运行调整中还应严格控制管壁温度，减少和杜绝超温现象的出现。及时调整减温水量，减少管子特别是过热器管子的介质短路现象，减少火焰烧偏或贴壁，都可以减少超温的出现。过热器超温通常和锅炉负荷有关系，锅炉负荷增加，过热器温度也随着升高；还与过量空气系数有关，过量空气增加，烟气流速增大，对流传热加剧，导致过热器温度升高；给水温度升高，过热器温度也随着升高；受热面结焦，过热器温度也随着升高等。运行调整是一个综合性的调整过程，不仅要调整好减温水量，同时要调整好燃烧、及时吹灰保持受热面干净，控制好烟气流速和过量空气系数，根据燃煤的特性合理选择燃烧方式和调整燃烧角度等。对于锅炉运行的要求应该从以下方面抓起：严格按运行规程的规定操作，认真执行有关安全规程和制度。保证进入锅炉的水质及锅炉运行中汽、水品质合格。当汽水品质恶化危及设备安全运行时，要立即报告上级主管部门并采取紧急措施，甚至停炉。锅炉启停应严格按启停曲线进行，控制锅炉参数和各受热面的管壁温度在允许范围内，并严密监视，及时调整，防止锅炉各参数大起大落。锅炉启停过程中应检查和记录各联箱、汽包、水冷壁等的膨胀指示器的指示，分析是否正常。定期检查水冷壁刚性梁四角连接及燃烧器悬吊机构，发现问题及时处理。防止因水冷壁晃动或燃烧器与水冷壁连接处焊缝受力过载拉裂而造成水冷壁泄漏。长期停用、备用的锅炉，必须按火力发电厂停(备)用热力设备防锈蚀导则进行防腐保护。加强锅炉运行监视、调整，确保锅炉正常运行。锅炉燃烧器应对称均匀地投入，保证火焰中心适宜，不冲刷水冷壁，防止结渣，减少热偏差，同时要注意控制好风量，避免风量过大或缺氧燃烧，防止过热器超温或锅炉尾部再燃烧。严密监视锅炉蒸汽参数、蒸发量及水位，防止超温超压、满水或缺水事故发生。加强吹灰管理，应通过试验和观察来确定锅炉受热面吹灰的周期。防止吹灰器漏汽、漏水或吹损受热面。锅炉结渣时，应及时进行吹灰和清除，防止形成大渣块掉落砸坏冷灰斗水冷壁管。