淺析循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損問題

孫玉樹

(紹興市特種設備檢測院,浙江紹興 312071)

淺析循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損問題

孫玉樹

(紹興市特種設備檢測院,浙江紹興 312071)

本文針對循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損現(xiàn)象,通過三個典型的案例分析,淺析循環(huán)流化床鍋爐磨損原因,指出各熱電廠的不同防磨方法,并從設計、安裝、使用方面提出有關防磨措施。

循環(huán)流化床 水冷壁管 磨損 措施

循環(huán)流化床鍋爐正在我市大力推廣,現(xiàn)各熱電廠不論是新安裝的鍋爐,還是舊鍋爐改造,都采用這種燃燒方式。該爐具有煤種適應性廣、熱效率高、污染物排放少等優(yōu)點,主要缺點是流道內(nèi)受熱面磨損比鏈條爐、煤粉爐要大,特別是爐膛內(nèi)水冷壁管磨損較嚴重。如何預防和減少磨損的發(fā)生,這就成了我們研究的課題。下面通過三個檢驗案例的分析,尋求水冷壁管磨損的原因、預防和處理措施,以供分析研討。

1 檢驗案例

(1)2014年1月對一臺剛改造2．5年的鍋爐進行停爐內(nèi)外部檢驗(鍋爐型號EG-90/9．8-M,設計溫度540℃,制造2010年04月,投用2011年08月),發(fā)現(xiàn)爐膛下部澆注料上1．5米處后水冷壁管(規(guī)格φ51×4．5,材質(zhì)為20G),從左往右數(shù)第45-51根共7根壁厚為2．73-3．08mm,已低于最小允許壁厚3．083mm,比理論計算壁厚2．583mm厚。因其余管子壁厚在3．4mm以上,尚屬正常范圍,熱電廠對該區(qū)域管子(包括這7根)進行了超音速電弧防磨補噴涂(該爐安裝合格后已預防性噴涂硬質(zhì)耐磨合金),防止管子磨損的發(fā)展。我院要求使用單位每1～2個月進行檢驗,監(jiān)視磨損發(fā)展情況,若管子壁厚低于理論計算壁厚,應由專業(yè)單位修復,同時要求用戶做好準備,及時更換該區(qū)域管子。

(2)2010年11月對一臺使用6．5年的鍋爐進行停爐內(nèi)外部檢驗

(鍋爐型號UG-75/5．3-M19,設計溫度485℃,制造2003年10月,投用2004年05月),發(fā)現(xiàn)水冷壁管(規(guī)格φ60×5．0,材質(zhì)為20G,總根數(shù)174根)普遍有磨損現(xiàn)象。有二個區(qū)域磨損較嚴重,一個是爐膛下部澆注料與水冷壁管交界處0-20mm范圍有55根磨損嚴重(壁厚為2．8-3．3mm),占總數(shù)的32%;另一個是澆注料上3．5m處,左、右、前、后水冷壁管共有40根磨損嚴重(磨損并不是在爐膛四周均勻發(fā)生,而是與爐內(nèi)的物料流動狀況有關隨機分布),壁厚為3．0-3．3mm(最小許用壁厚為2．75mm),占總數(shù)的23%。熱電廠對爐膛下部澆注料與水冷壁管交界處用耐火可塑料澆注,升高澆注料30mm,覆蓋住磨損部位;對澆注料上3．5米處管壁磨損,哪里磨損嚴重,就局部焊上銷釘,澆注耐火可塑料進行防磨。平時,按計劃停爐時均對水冷壁管進行測厚檢查,如發(fā)現(xiàn)管子壁厚低于理論計算壁厚或爆管泄漏的立即進行割管修理。

(3)2008年2月一臺使用5．5年的鍋爐進行停爐內(nèi)外部檢驗(鍋爐型號NG-130/9．8-M,設計溫度540℃,制造2001年12月,投用2002年07月),發(fā)現(xiàn)左、右、后水冷壁管(規(guī)格φ60×5．0,材質(zhì)為20G)磨損嚴重,對水冷壁管(爐膛下部澆注料與水冷壁管交界處并向上4．0m范圍內(nèi))不同部位共測厚150點,厚度在4．05mm以下的有56個測點,最小厚度為3．0mm(強度計算書中鍋爐水冷壁管理論計算壁厚為4．05mm,最小許用壁厚為5．0mm)。我院出具檢驗報告,結論為停止運行,提出由專業(yè)單位修理,并經(jīng)監(jiān)檢合格方可使用。

熱電廠根據(jù)供熱的情況以及修理時間的準備,提出進行應急堆焊修理。2008年4月由專業(yè)修理單位進行堆焊,壁厚小于理論計算壁厚4．05mm的水冷壁管均堆焊處理,焊后對高出管壁的焊肉進行打磨,使焊接部位管壁保持圓滑,經(jīng)實測壁厚均在4．05mm以上。我院對堆焊處外觀檢驗和磁粉探傷合格,堆焊質(zhì)量符合要求。

堆焊合格后,立即由專業(yè)噴涂單位對水冷壁管進行超音速電弧噴涂處理,合格后投入使用。我院要求使用單位日后每1～2個月對噴涂情況進行檢查,同時對水冷壁管進行測厚,發(fā)現(xiàn)厚度＜4．05mm時,立即進行處理。

使用一段時間后,用戶作好了準備,于2009年2月進行水冷壁管割管大修。水冷壁管標高10533mm-14257mm范圍(爐膛下部澆注料與水冷壁管交界處向下100mm處割開,從割開處向上3724mm處再割開)由專業(yè)安裝單位進行割管更換,更換數(shù)量290根,管子對接焊接接頭580只(焊材TIG-50),X光攝片580張,底片經(jīng)復審合格,并進行水壓試驗合格,隨即由專業(yè)噴涂單位對水冷壁管進行超音速電弧噴涂處理,合格后投入使用。

該爐一年后還由原制造廠進行了旋風分離筒和二次風的改造,2012年5月停爐內(nèi)外部檢驗時,經(jīng)測厚水冷壁管最小壁厚為4．5mm,磨損較少,情況正常。

2 原因分析

通過以上案例可以看出,水冷壁管磨損主要發(fā)生在爐膛下部澆注料與水冷壁管過渡區(qū)域管壁(包括交界處的磨損和交界處向上至4．0m范圍內(nèi)),爐膛四周角落區(qū)域管壁,不規(guī)則區(qū)域的管壁。

水冷壁管磨損是與爐內(nèi)的物料相對運動引起的,必須分析循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)的流動特性。

循環(huán)流化床鍋爐在燃燒室內(nèi)有大量的循環(huán)物料,循環(huán)有二種形式,一種是密相區(qū)的顆粒和灰份經(jīng)爐膛上部出口進入高溫旋風分離器,把飛灰中粒徑較大、含炭量高的顆?；厥罩匦滤腿霠t內(nèi)燃燒,即外循環(huán);另一種是隨氣流上升到稀相區(qū)的物料,由于顆粒團時聚時散以及邊壁效應在水冷壁管附近形成濃度很高的下降流,重新返回爐膛下部密相區(qū)燃燒,即內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)的循環(huán)量要遠大于外循環(huán),貼壁下流的高濃度顆粒將直接沖擊水冷壁管,造成水冷壁管沖蝕磨損, 密相區(qū)邊壁的顆粒還有橫向速度,使得顆粒對水冷壁管的沖刷、撞擊加劇。

磨損原因主要與風速、顆粒濃度、顆粒尺寸、顆粒形狀及與受熱面的碰撞角度、以及流場的不均勻性等密切相關。有研究表明,磨損與風速的3～4次方(值的大小與灰粒的性質(zhì)、濃度和粒度有關)成正比,隨著風速增加,磨損顯著增加;磨損與顆粒濃度成正比,爐膛下部的顆粒濃度較大,磨損較多,隨著高度增加,磨損呈下降趨勢,但長度有所增加,故爐膛上部水冷壁管磨損較輕,一般不影響正常使用。流場的不均勻性一般與設計、制造、安裝及運行控制有較大關系。

磨損形式主要是沖蝕磨損。一種是顆粒與水冷壁管表面的沖擊角度較小,甚至接近平行,顆粒對水冷壁管表面類似進行磨削,一定時間后,表面將產(chǎn)生磨損,即沖刷磨損。另一種是顆粒相對于水冷壁管表面沖擊角度較大,有的接近垂直沖擊,使表面產(chǎn)生微小的塑性變形或顯微裂紋,在爐膛內(nèi)大量的顆粒反復沖擊下,塑性變形層逐漸脫落而形成的磨損,即撞擊磨損。

爐膛下部澆注料與水冷壁管過渡區(qū)域管壁的磨損原因：一個是因物料爐內(nèi)循環(huán),固體物料貼壁下流,而貼壁下流的顆粒在交界區(qū)域產(chǎn)生流動方向的改變產(chǎn)生沖刷,使水冷壁管產(chǎn)生磨損。另一個是在過渡區(qū)域內(nèi)沿壁面向下流動的固體物料與爐內(nèi)向上運動的固體物料運動方向相反,在局部產(chǎn)生渦流,加大顆粒流對水冷壁管撞擊、沖刷,使水冷壁管產(chǎn)生磨損。

爐膛四周角落區(qū)域管壁的磨損原因是角落區(qū)域由二個水冷壁面交匯而成,內(nèi)壁的磨擦以及顆粒直接的相互作用使顆粒能夠更多的聚集在一起,同時流動狀態(tài)也受到破壞,二者的共同作用使得角落磨損加劇。

不規(guī)則區(qū)域管壁(如爐內(nèi)測試元件穿墻處、爐墻開孔處的彎管、管壁上焊縫等)的磨損原因主要是不規(guī)則管壁對局部的流動特性造成較大的擾動,造成顆粒濃度的變化和局部區(qū)域顆粒流的轉向形成的。運行經(jīng)驗表明,爐內(nèi)即使很小幾何尺寸的不規(guī)則也可能引起局部嚴重的磨損。

3 處理方法

根據(jù)水冷壁管磨損程度和分布區(qū)域,我市熱電廠一般采用三種方法處理：超音速電弧噴涂,局部耐火可塑料澆注,割管修理。

(1)超音速電弧噴涂是利用兩根連續(xù)送進的金屬絲作為自耗電極,在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源,用壓縮空氣將熔化了的絲材霧化并以超音速噴向工件,由于速度高,霧化的粒子細小均勻,從而能獲得高質(zhì)量的涂層。水冷壁管表面用超音速電弧噴涂硬質(zhì)耐磨合金后,摩擦系數(shù)降低,涂層孔隙率低,涂層結合強度高,耐磨性能大大提高。

(2)局部耐火可塑料澆注。耐火可塑料是用耐火骨料、粉料、化學復合劑等配制而成的一種耐火材料,具有優(yōu)異的耐磨性、超強的黏結性和合適的使用溫度,包裝貯存一定時間內(nèi)仍具有良好的可塑性。耐火可塑料與耐火澆注料相比的一個最大優(yōu)點就是它的抗熱震性能好。施工前先在水冷壁管表面焊接銷釘,然后用搗打、振動或擠壓方法把耐火可塑料鋪設上去。施工工藝較簡單,工期短,施工完畢后無需烘爐即可運行。

(3)割管修理。管子壁厚小于理論計算壁厚的,必須進行割管修理;有些管子壁厚小于最小許用壁厚的或管子壁厚不能用到下一周期的管子都屬割管范圍。割管應由專業(yè)單位進行,有施工方案,割管數(shù)量達整組受熱面50%以上的重大修理,應當在施工前向當?shù)刭|(zhì)監(jiān)部門告知并向特種設備檢驗單位申請監(jiān)督檢驗。隨后進行割管、焊接,對焊口進行X光拍片或超聲波探傷,進行水壓試驗等,合格后方可投入使用。

4 結語

由于循環(huán)流化床鍋爐的特性決定了受熱面必然存在磨損,水冷壁管磨損又是鍋爐受熱面磨損最嚴重的部位之一,隨著運行時間加長,水冷壁管磨損問題會越來越突出,這就要求我們采取預防措施,一般可從三個方面加以考慮。

設計方面的措施。爐膛下部澆注料處水冷壁管可采用讓管設計,使過渡處保持平整;在保證流化狀態(tài)下,爐膛內(nèi)盡量降低流速,優(yōu)化一、二次風配比;給煤、二次風等接口與水冷壁可采用預制式結構設計,保證良好的密封而且不產(chǎn)生磨損;可以將爐膛二個水冷壁面交匯角改為局部小斜角來降低此處的物料濃度等。

安裝方面的措施。主要是做到爐膛內(nèi)表面管子的平整。水冷壁管子上清除凸出障礙物,做到“平”、“直”、“滑”,不要有凸起的部位;水冷壁管對接處應減少折口、錯口的存在;磨損嚴重部位的焊口應打磨光滑、平整;清除干凈安裝時臨時焊件;安裝完畢后立即對日后磨損嚴重的部位進行超音速電弧噴涂處理等。

使用方面的措施。平時應有計劃停爐,加強對重點部位的監(jiān)督和檢查,測定日常磨損量和察看是否有不可預測的磨損發(fā)生;定期對爐膛下部澆注料與水冷壁管交界處并向上4．0m之間水冷壁管,爐膛四角處和不規(guī)則區(qū)域水冷壁管進行超音速電弧噴涂;對澆注料與水冷壁管交界處的磨損,以及其它局部磨損,可采用耐火可塑料澆注,覆蓋磨損部位;對水冷壁管壁厚已小于理論計算值的,或發(fā)現(xiàn)時已爆管的,應做割管處理;運行時調(diào)整好鍋爐狀態(tài),嚴格控制適宜的入爐風量,選擇合適的爐膛差壓、料層差壓,注意控制入爐煤的煤質(zhì)和粒度,入爐煤粒度最大不應超過13mm等。

通過一系列的防磨工作,較好地減輕了磨損的發(fā)生,延長了每次投用時間,減小了非預期的停爐時間,確保鍋爐長周期、滿負荷的安全運行,較好地發(fā)揮了循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)勢。

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