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锅炉过热器爆管原因分析及对策

2009年5月25日
摘 要:锅炉承压部件的安全运行对整个电厂的安全至关重要。文章结合微水电厂实际,分析了过热器爆管泄漏的机理、原因及实际采取的一些对策,以求对锅炉过热器设备的完好运行有所裨益。
关键词:锅炉;过热器;爆管;对策

1 前言
  据统计,河北省南部电网锅炉各种事故约占发电厂事故的63.2%,而承压部件泄漏事故又占锅炉事故的86.7%。因此迫切需要大幅度降低锅炉临修次数。下面结合微水电厂实际,分析过热器爆管泄漏的机理、原因及采取的一些对策。
  微水发电厂锅炉型号为HG-220/100-4,露天布置,固态排渣煤粉炉,四角切圆燃烧,过热器由辐射式炉顶过热器、半辐射屏式过热器、对流过热器和包墙管4部分组成。减温水采用给水直接喷入,分两级减温。炉顶管、包墙管和第二级过热器管用ø38×4.5的20号碳钢管组成。第一级过热器和屏过热器用 ø42×5的12Cr1 MoV钢管组成。

2 过热器爆管的主要原因
2.1 超温、过热和错用钢材
2.2 珠光体球化及碳化物聚集
针对12Cr1 MoV钢分析,试验表明当12Cr1 MoV钢严重球化到5级时,钢的室温强度极限下降约11kg/mm2。微水发电厂1993年4月过热器爆管的统计资料表明:因局部长期过热,珠光体耐热钢已达到了5级球化现象,而它的塑性水平仍然比较高。发生球化现象以后,钢的蠕变极限和持久强度下降。通过580℃下对12Cr1 MoV钢的持久爆管试验,可以看出到了球化4级的钢管,其持久强度降低1/3。影响珠光体耐热钢发生球化的因素主要有温度、时间、应力和钢材的化学成份等。在钢中掺入“V”这种强碳化物元素,可以阻碍珠光体的球化过程,只要能形成稳定的碳化物,则球化过程减速。

  通过对12Cr1 MoV管试验发现,温度在540℃时,随着运行时间的增加,钢的工作温度下蠕变极限和持久强度也相应降低。随着运行温度的提高、时间的延长、应力的变化都会加速合金元素的固溶体和碳化物间的重新分配现象。

2.3 焊接质量
  钢材焊接质量也是影响安全的重要因素之一。焊接的缺陷一般指焊接接头裂纹未熔合、根部未焊透、气孔、夹渣、咬边,焊缝外形尺寸不合格以及焊接接头的金属组织异常等现象。

2.4 金属在高温下的氧化和腐蚀

2.5 飞灰磨损
  飞灰磨损一般发生在高温过热器下部弯头位置,飞灰的浓度增大,灰粒的冲击次数增多,磨损更剧烈。

2.6 锅炉运行的影响

2.6.1 热偏差
  由于结构和运行条件的影响,运行中某些管子的蒸汽温度和焓增量会超过整个管组的平均值,即热偏差产生热偏差的管子,管内蒸汽温度较高,甚至远超过了金属的管壁温度,从而造成长期严重超温。
  形成热偏差的原因有以下2方面:

  a.过热器受热不均匀 热负荷大的管子,吸热量则大,焓增量也大,其蒸汽温度和管壁温度也较高,受热产生热力偏差,另外烟气中温度场和速度场分布不均匀性等,也会产生影响。

  b.管内流量不均匀 对于屏过而言,可以使外圈管子短路,减小其阻力,增大蒸汽的流量;除外圈管子外,余下的蛇形管分成2部分:第1个U形管靠近外圈的管子到第2个U形管换到里面,其它的以此类推。这样可减小受热不均,同时各管的长度比较接近,可减少因管子的阻力差而造成的流量不均,在运行时应保持燃烧稳定,防止火焰中心偏斜,消除局部结渣现象,喷燃器投入力求均匀。

2.6.2 影响汽温的因素
2.6.2.1 烟气侧
  a.燃料性质的变化 尤其是水分和灰分增加时,燃料的热值降低,须增加燃煤量,使汽温升高。如果煤粉变粗,着火延迟,则炉膛出口烟温升高,相应汽温升高,造成管壁的金属温度上升。

  b.风量配比变化对汽温的影响 炉内的过剩空气量增加时,由于低温空气吸热,使炉膛温度降低,辐射传热减弱,燃烧生成的烟气量增加,烟气流速加快,对流传热增加,因而汽温升高;另外由于配风工况的不同,使火焰中心发生偏斜,如增大上二次风,减小下二次风,火焰中心会偏低。

  c.喷燃器的运行方式往往会影响火焰中心的温度,影响汽温的改变。

  d.受热面的清洁程度会对汽温产生影响。

2.6.2.2 蒸汽侧
  a.炉负荷的变化 对于对流式过热器而言,汽温随负荷增加而升高,而对于辐射式过热器,汽温随负荷增加而下降。

  该厂采用的是半辐射式过热器,其优点是吸收了一部分炉膛的热量,有效降低了炉膛的出口温度,防止了对流受热面的结渣,装置屏式过热器后,使过热面布置在高温烟气区域,减少了金属的消耗量。由于蒸汽温度较低,管壁金属温度相应低,汽温的变化比较平稳,易于调节。

  b.饱和蒸汽湿度的变化 当运行工况不稳定,尤其是水位过高或炉负荷突增,而汽包内汽水分离装置效果又不佳时,便会使饱和蒸汽的湿度增加,增加的水分要吸收汽化热,从而使汽温下降,若大量带水还会使汽温急剧下降。

  c.减温水的变化 当减温水量或水温发生变化时将引起蒸汽侧的总需热量变化,相应的汽温也要变化。

  d.给水温度变化 当给水温度下降时,给水变为饱和蒸汽所需的热量增多,如果保持燃煤量不变,则蒸发量下降,但烟气传给过热器的热量基本不变,因而使过热汽温上升,相应管壁温上升。

  e.蒸汽压力变化 根据热力学,压力升高,温度升高,当炉负荷大于外界负荷时,则汽压升高,温度升高;反之,如果锅炉的蒸发量在每时等于外界负荷则汽压稳定,汽温也恒定。

3 实例分析及对策
3.1 泄漏实例
  a.由于过热器局部材质不当,使管子长期超温运行,导致爆破泄漏 该厂1989年更换的原西德St45.8/Ⅲ低过管,因含碳低运行3月后爆破。

  b.过热器联箱出入口钻孔未完全钻透并被铁屑等杂物堵塞,造成管子长期过热或短期干烧 该厂#6炉1988因联箱出入口未完全钻透,孔底留有三分之一的周径、2 mm的底边,造成管内蒸汽流量减少,长期过热使屏过第5屏第17根管爆管泄漏。

3.2 对策

  该厂#6、#7炉分别于1974年、1975年投运以来,过热器共发生爆管21次,究其原因主要是磨损、高温腐蚀、材质老化、过热引起。针对上述情况,采取了如下对策。

3.2.1 运行
  a.调整了一级、二级减温水的比例,使管子的壁温由580℃降低为540℃ 该厂装有2级减温器,分别串联在过热器之间,第1级水量为3.5 t/h,减温幅度为10℃,第2级水量为3.7 t/h,幅度为18℃,采用给水直接喷入。第1级在低过和屏过之间的低温段过热器出口环形联箱两侧,第2级安装于高过的中间联箱。第1级粗调喷水量决定于减温器前的蒸汽参数,并保证屏过管壁温度不超过允许值;第2级作为细调,控制过热器的出口汽温在额定值。

  b.烟气侧的调节 改变过热器的对流吸热量,通常靠改变经过过热器的烟气量和烟气温度来实现。燃烧工况的改变对汽温有一定影响,因此,在锅炉运行中,应根据实际情况,改变喷燃器的倾角和上、下排喷燃器的运行方式,从而改变火焰中心的位置和炉膛出口烟温,并通过调节风量挡板,使流经过热器的烟气量发生变化而达到调节汽温的目的。应注意的是,喷燃器的运行方式和风量的调节,首先应满足燃烧的要求,这有利于设备的安全和提高锅炉效率,因此烟气侧调整只能作为辅助手段。此外,当负荷过低时,不能用上倾火焰中心高度来增加汽温,以防止锅炉灭火或煤粉在烟道内再燃烧而发生事故。

3.2.2 控制汽温的变化
  a.调节燃煤量 该厂是直吹式制粉系统,出力大小直接影响锅炉的蒸发量。当锅炉负荷有较大变动,需启、停1 套制粉系统时,投入的喷燃器应均衡。当炉负荷变动不大时,可通过调节运行着的制粉系统出力来解决。如:负荷增加,开大排粉机进出口风量挡板,增加磨煤机出力使磨煤机内少量的存煤作增负荷时缓冲调节,然后再增加给煤量。

  b.调节燃烧风量 当外界负荷变化时,应对风量作相应的调整。实际运行中,随着过量空气系数的增加,利于完全燃烧。但是过量空气的增加要适当,同时烟气流速加大,造成送、引风机的耗电量增加,经济性降低,加剧低温段的磨损,因此要严格监视氧量的变化。

  c.保持合理的风、粉配比 一、二次风量配比应保证煤粉迅速着火、燃烧完全,合理的送、引风配比,可保持炉膛的负压,减少漏风,建立良好的炉内空气动力场和燃烧的稳定性,避免炉内温度过高、火焰中心偏斜,造成过热器的热偏差增加,过热器管局部超温甚至爆管。

3.2.3 严格控制燃烧高硫煤,防止过热器出现高温腐蚀

  a.降低SO3的生成量,设法降低H2SO4露点,减少酸量的凝结。

  b.提高温度或避开严重腐蚀的区域,采用抗腐蚀材料。

c.低氧燃烧,降低过量空气系数。

  d.加强吹灰工作。
3.2.4 加强各个环节的防范
  a.保证二级减温器喷水装置的正常运行,根据情况每隔3~6 a,打开二级减温联箱的堵头,用内窥境观察内壁套筒,是否有裂纹以及套筒是否脱落,能否保证正常运行,发现有问题及时处理。

b.在检修过程中,搞好过热器的防爆检验工作。

  c.检查高温区管的氧化皮厚度情况,当氧化皮厚超标时,及时换管。

  d.做直管段胀粗测量,合金管不大于2.5%,低碳钢管不大于3.5%。

e.检查管的表面是否有微裂纹,有裂纹时更换。

  f.检查高温区向火侧高温腐蚀情况,发现有严重腐蚀坑部位,打磨测厚,当厚度不能满足强度要求时,更换管子。

  g.做好过热器管的寿命预测每隔2~5万h,对过热器监视段割管鉴定,进行金相组织分析和机械性能试验。当发现珠光体球化严重(4~5级),机械性能试验低于标准要求时,制定更换计划。

  h.做好记录整理和档案管理,研究过热器管的损坏规律。

4 结束语
  在启动调整期间或运行过程所遇到的事故中,过热器受热面的损坏占有相当的比例,应做好防爆工作,以保证锅炉机组的安全运行。
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