燃煤鍋爐水冷壁管爆管原因分析和對(duì)策

，

(中國(guó)石油 蘭州石化分公司， 甘肅 蘭州 730060)

某石化公司動(dòng)力裝置共有3臺(tái)DG145/10.5-1單鍋筒高壓自然循環(huán)燃煤鍋爐，采用直吹式送粉系統(tǒng)和四角切向燃燒方式向電站供應(yīng)10 MPa(G)、500 ℃的過(guò)熱蒸汽。2017-09-26燃煤鍋爐發(fā)生水冷壁爆管并造成停爐，檢查發(fā)現(xiàn)1#鍋爐爐膛南墻1根冷壁管爆裂出1個(gè)孔洞。2017-10-25該燃煤鍋爐再次發(fā)生水冷壁爆管停爐故障，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)27根水冷壁管共有88處漏點(diǎn)，爆口形貌與前次相同。

故障發(fā)生后，對(duì)282根水冷壁管進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)46根水冷壁管有局部變形。對(duì)爆裂、穿孔和變形的水冷壁管全部予以了更換并重新投入運(yùn)行。2017-11-15部分換新水冷壁管的燃煤鍋爐又因爆管停爐，發(fā)現(xiàn)爐膛南墻已更換水冷壁管上方約600 mm處1根未更換水冷壁管爆開(kāi)1個(gè)孔洞，形貌與前兩次的一致。燃煤鍋爐南北墻大面積水冷壁管爆管在鍋爐運(yùn)行實(shí)踐中較為罕見(jiàn)。文中對(duì)該燃煤鍋爐水冷壁管爆管泄漏的原因和需要采取的針對(duì)性措施展開(kāi)探討。

1 水冷壁管宏觀檢查

水冷壁管爆管宏觀形貌見(jiàn)圖1。水冷壁高溫區(qū)上、中、下各段管均有多處爆管和局部鼓包，內(nèi)外壁表面均存在氧化腐蝕，外壁表面呈紅色，中段氧化更為嚴(yán)重。

圖1 水冷壁管爆管宏觀形貌

2 水冷壁管檢驗(yàn)檢測(cè)分析

2.1 取樣

截取水冷壁高溫區(qū)中段? 60 mm×5 mm×500 mm的失效水冷壁管共5根，作進(jìn)一步的檢驗(yàn)分析。為查明水冷壁管不同失效形貌、水與材質(zhì)變異和腐蝕產(chǎn)物的關(guān)系，分別在水冷壁爆管孔洞處和鼓包處取樣進(jìn)行材料化學(xué)成分、金相組織和腐蝕產(chǎn)物能譜分析，爆管孔洞處取樣位置見(jiàn)圖2，鼓包處取樣位置見(jiàn)圖3。

圖2 水冷壁管爆管孔洞取樣位置

圖3 水冷壁管鼓包取樣位置

2.2 化學(xué)成分分析

燃煤鍋爐水冷壁管采用20G鋼材制造。對(duì)損傷的水冷壁管樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指標(biāo)值見(jiàn)表1。

表1 水冷壁管化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

從表1可以知道，水冷壁管材質(zhì)化學(xué)成分滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》[1]中對(duì)20G鋼材的化學(xué)成分要求。表1中樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)均為6點(diǎn)分析平均值。

2.3 力學(xué)性能分析

采用GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[2]方法，對(duì)燃煤鍋爐水冷壁高溫區(qū)上、中、下3段爐管樣品作拉伸試驗(yàn)，向火面和背火面的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水冷壁管力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比GB/T 5310—2017中規(guī)定的20G力學(xué)性能指標(biāo)可以知道，爐管樣品向火面的強(qiáng)度和韌性嚴(yán)重降低。

2.4 金相組織分析

對(duì)位于燃煤鍋爐水冷壁高溫區(qū)上、中、下3段的爆裂壁管試樣進(jìn)行初步金相組織分析，在向火面徑向截面觀察到微裂紋。進(jìn)一步的金相組織分析表明，上、中、下3段水冷壁管內(nèi)部微裂紋和母材金相組織基本一致。

中段水冷壁管裂紋形貌和組織見(jiàn)圖4～圖5。依據(jù)圖4～圖5的金相組織圖和DL/T 674—1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[3]綜合判斷，高溫區(qū)各管段樣品向火面材料的球化級(jí)別為4級(jí)中度球化。

2.5 掃描電鏡分析

對(duì)燃煤鍋爐爆裂水冷壁管原始斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外壁及斷口表面均存在腐蝕現(xiàn)象，樣品掃描電鏡分析形貌見(jiàn)圖6。

圖4 中段水冷壁向火面徑向截面微裂紋形貌

圖5 中段水冷壁壁管母材金相組織(400×)

圖6 水冷壁管斷口掃描電鏡分析形貌

分析圖6可以知道，裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展，近外壁的裂紋擴(kuò)展區(qū)存在準(zhǔn)解理、沿晶及韌窩形貌，屬于混合型斷裂。

2.6 爐管結(jié)垢檢測(cè)

2.6.1結(jié)垢數(shù)量

檢查燃煤鍋爐水冷壁爐可觀察到結(jié)垢現(xiàn)象，而且爐管向火面的結(jié)垢量遠(yuǎn)超爐管背火面的結(jié)垢量，火焰中心高度17.5 m位置以上區(qū)域向火面結(jié)垢傾向嚴(yán)重。依據(jù)DL/T 794—2012《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》[4]，主蒸汽壓力為5.9～12.6 MPa時(shí)水冷壁結(jié)垢量大于400 g/m2應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗。從爐膛北墻自西向東第34根爐管不同標(biāo)高位置取樣，采用酸洗法測(cè)定結(jié)垢數(shù)量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 爐膛北墻自西向東第34根爐管結(jié)垢量

由表3可知，樣管向火面的結(jié)垢數(shù)量均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)行清洗。

樣管壁內(nèi)在清洗前后的形貌見(jiàn)圖7。值得注意的是，水管內(nèi)壁原有結(jié)垢層在爆管前由于水質(zhì)原因出現(xiàn)大面積的脫落，這導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)垢量可能比實(shí)際情況偏小。

2.6.2垢層組成

對(duì)燃煤鍋爐水冷壁管剝落的結(jié)垢層采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析，得到的剝落爐管內(nèi)壁垢層截面見(jiàn)圖8。

圖7 爆裂水冷璧管清洗前后內(nèi)壁形貌

圖8 剝落垢層截面掃描電鏡圖

從剝落垢層截面掃描電鏡圖可看出色澤明暗差別，可見(jiàn)內(nèi)壁垢層大致分為4層。

用EDAX能譜分析儀對(duì)圖8中譜圖1～譜圖8標(biāo)記的8個(gè)位置進(jìn)行能譜分析，得到的垢層元素組成分析結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，剝落結(jié)垢層的主要成分為Fe的氧化物，還有Na、Al、Cu及P、S等元素。結(jié)合刮取的水冷壁管內(nèi)壁垢層化學(xué)成分分析結(jié)果可以判斷，爐管結(jié)垢傾向嚴(yán)重是燃爐鍋爐水質(zhì)控制不合理所致[5-6]。

表4 水冷壁管剝落垢層能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3 水冷壁管爆管原因分析與處理措施

3.1 原因分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查檢修情況、樣品的宏觀檢查、微觀檢測(cè)檢驗(yàn)及燃煤鍋爐的運(yùn)行情況，分析水冷壁管爆裂原因。主要包括，①水冷壁管向火面管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重。水冷壁管尤其是主火焰區(qū)的高溫管段冷卻效果長(zhǎng)期不佳，導(dǎo)致水冷壁向火面爐管過(guò)熱并發(fā)生嚴(yán)重球化現(xiàn)象，水冷壁管強(qiáng)度和韌性大幅下降，成為導(dǎo)致壁管大面積爆裂的直接原因[7-18]。②未利用檢修定期切割爐管取樣分析，也未根據(jù)爐管結(jié)垢分析安排鍋爐爐管清洗，鍋爐水質(zhì)控制不佳[17-18]。③鍋爐定期排放操作不當(dāng)，致使水循環(huán)倍率超出高壓鍋爐安全運(yùn)行的10～12的自然循環(huán)倍率，導(dǎo)致水冷壁管冷卻效果惡化，爐管過(guò)熱爆裂[6，19]。④爐膛火焰中心偏移，南北墻水冷壁火焰有貼墻現(xiàn)象，水冷壁局部過(guò)熱現(xiàn)象嚴(yán)重[7-8]。由于爐膛截面為正方形爐體，偏燒現(xiàn)象的存在說(shuō)明與配風(fēng)調(diào)節(jié)、鍋爐負(fù)荷變動(dòng)以及燃燒不均勻等有很大關(guān)系。⑤未徹底處理事故埋下的隱患。2017-09-26爐管大孔洞爆裂，在鍋爐故障緊急停爐過(guò)程中，大量水冷壁管內(nèi)鍋爐水噴出，加劇爐膛極速降溫，同時(shí)鍋爐水噴到其它水冷壁管上，造成壁管的急劇冷卻，致使壁管局部收縮嚴(yán)重，產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。

3.2 處理措施

根據(jù)燃煤鍋爐水冷壁管爆裂的檢驗(yàn)檢測(cè)分析和原因分析，制定的處理措施主要包括，①?lài)?yán)格控制水質(zhì)。根據(jù)水質(zhì)分析合理排污[6]，尤其是在實(shí)施定期排污操作時(shí)，要將開(kāi)啟閥門(mén)的時(shí)間控制在30 s以?xún)?nèi)，切勿超時(shí)且關(guān)閉后才能再開(kāi)啟下一個(gè)閥門(mén)，杜絕多閥門(mén)同時(shí)開(kāi)啟排污，以免破壞水循環(huán)造成水冷壁管過(guò)熱而爆管。②利用鍋爐大修和中修時(shí)機(jī)定期切割水冷壁管試樣，對(duì)試樣進(jìn)行結(jié)垢量分析和預(yù)判，當(dāng)水冷壁結(jié)垢量大于400 g/m2時(shí)，立即安排進(jìn)行鍋爐爐管化學(xué)清洗[4]。③正常運(yùn)行中，確保鍋爐負(fù)荷超過(guò)70%，避免低負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。當(dāng)水質(zhì)發(fā)生異?；蛲蛔儠r(shí)嚴(yán)格控制鍋爐排污，尤其要注意對(duì)定期排放的調(diào)整，以避免開(kāi)啟定期排放置換水質(zhì)而破壞水循環(huán)。④正常運(yùn)行情況下，合理調(diào)節(jié)一次、二次風(fēng)量，確保鍋爐火焰無(wú)偏燒。同時(shí)定期進(jìn)行鍋爐燃燒工況的熱態(tài)調(diào)試，調(diào)整火焰四角切圓燃燒。避免發(fā)生火焰偏移沖刷水冷壁管，造成水冷壁管長(zhǎng)期處于過(guò)熱狀態(tài)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)故障燃煤鍋爐水冷壁管爆管情況的介紹和分析，探討了水冷壁管爆裂的深層原因，制定了針對(duì)性處理措施，利用檢修對(duì)鍋爐進(jìn)行相關(guān)的檢驗(yàn)檢測(cè)并對(duì)爐管進(jìn)行更換，提出了優(yōu)化燃煤鍋爐運(yùn)行的管控方案。截至2019-01,修復(fù)的燃煤鍋爐及其他2臺(tái)同型號(hào)鍋爐運(yùn)行良好，未再次發(fā)生類(lèi)似壁管爆裂故障。