郭慶峰

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

某煉化公司5#鍋爐于2016年對(duì)省煤器進(jìn)行更換，更換后的運(yùn)行過程中，上級(jí)省煤器出口集箱管接頭經(jīng)常出現(xiàn)漏點(diǎn)，泄漏影響鍋爐負(fù)荷和安全運(yùn)行，必須停爐后進(jìn)行處理，鍋爐切換不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，可能還會(huì)影響環(huán)保指標(biāo)。對(duì)設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行等方面進(jìn)行檢查和分析，根據(jù)分析結(jié)果制定整改計(jì)劃并逐步實(shí)施，同時(shí)，根據(jù)分析和檢查結(jié)果，重新設(shè)計(jì)上級(jí)省煤器，徹底解決泄漏問題。

1 名詞解釋

（1）省煤器：安裝于鍋爐尾部煙道下部用于回收排煙余熱的一種裝置。將鍋爐給水加熱成汽包壓力下的飽和水的受熱面，由于它吸收高溫?zé)煔獾臒崃?，降低了煙氣的排煙溫度，?jié)省能源、提高效率，因此稱之為省煤器。

（2）省煤器集箱：集箱的作用是混合或者分配汽水工質(zhì)，除氧水由給水管道進(jìn)入入口集箱內(nèi)，由箱體分配給各省煤器管束，這些管束中的水不斷吸收熱能，匯集到省煤器出口集箱中再通過集中管路流進(jìn)鍋筒內(nèi)。其中，省煤器集箱上開口焊接大量的小直徑管接頭與受熱面管束相接。

（3）焊接熱影響區(qū)：簡稱HAZ（Heat Affected Zone），在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變化的區(qū)域，稱為焊接熱影響區(qū)（圖1）。

圖1 焊接熱影響區(qū)

按加熱溫度和組織特征，熱影響區(qū)可劃分為過熱區(qū)、正火區(qū)、部分正火區(qū)和再結(jié)晶區(qū)4個(gè)區(qū)域。

焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)3個(gè)部分組成（圖2）。焊接熱影響區(qū)是指在焊接過程中，母材因受熱影響但未熔化而發(fā)生不均勻的組織分布，因而其性能的分布也必然是不均勻的。特別是熱影響區(qū)的某些部位，由于組織和性能的變化而成為整個(gè)焊接接頭的薄弱部位。焊接熱影響區(qū)只是一個(gè)較小范圍的局部區(qū)域，一般寬度只有幾毫米。

圖2 焊接接頭

（4）焊接熱處理：在焊接前、焊接過程中或焊接后，將焊件全部或局部加熱到一定溫度，保溫一定的時(shí)間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改善焊件的焊接工藝性，消除或降低焊接殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的金相組織和力學(xué)性能的工藝方法。焊接熱處理包括預(yù)熱、后熱和焊后熱處理。常用方法：電加熱和火焰加熱。

2 設(shè)備簡介

5#鍋爐為單鍋筒自然循環(huán)燃油燃?xì)庹羝仩t，型號(hào)為HG-130/3.82-Y1，前部為燃料燃燒室，水平煙道布置兩級(jí)過熱器，下行煙道布置省煤器、催化劑和煙氣換熱器（圖3）。鍋爐參數(shù)見表1。

表1 鍋爐參數(shù)

圖3 鍋爐結(jié)構(gòu)

2016年，5#鍋爐脫硝改造將單級(jí)省煤器改為兩級(jí)省煤器，省煤器設(shè)置進(jìn)出集箱，省煤器出口集箱規(guī)格為Φ219×12 mm，L=3080 mm，材料20G，1件；管接頭Φ108×8 mm，材料20G，3根；管接頭Φ32×4 mm，材料20G，60根。

5#鍋爐2016年改造至今共計(jì)運(yùn)行約16 100 h，全面檢驗(yàn)及年度檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)問題，定期進(jìn)行充氮保護(hù)、受熱面清灰、催化劑更換等維護(hù)。5#鍋爐維修主要發(fā)生在上級(jí)省煤器出口集箱漏點(diǎn)處理問題上。

3 泄漏經(jīng)過及影響

3.1 泄漏經(jīng)過

上級(jí)省煤器出口集箱短接頭自2016年12月11日第一次發(fā)生泄漏，截至2017年4月22日共計(jì)發(fā)生泄漏24處，2017年5月4—12日對(duì)上級(jí)省煤器出口集箱進(jìn)行更換，對(duì)省煤器管束處的澆筑料拆除減少管束應(yīng)力，進(jìn)行組對(duì)焊接，全部氬弧焊。2017年6月12日上級(jí)省煤器出口集箱（圖4）短接頭又發(fā)生泄漏，截至2020年1月22日共計(jì)發(fā)生泄漏16處（圖5）。

圖4 省煤器上集箱

圖5 省煤器漏點(diǎn)

3.2 造成的影響

（1）影響設(shè)備安全運(yùn)行。一是可能造成汽包水位下降，水位難保持，二是可能造成省煤器側(cè)煙氣溫度差增大，三是如不及時(shí)處理，可能吹壞相鄰管束，對(duì)設(shè)備造成更大破壞。

（2）影響人身安全。省煤器系統(tǒng)屬于承壓設(shè)備，而且介質(zhì)溫度較高，如泄漏增大或爆管，可能造成人員傷害。

（3）影響公司平穩(wěn)生產(chǎn)。發(fā)生泄漏要進(jìn)行鍋爐負(fù)荷降低調(diào)整，并及時(shí)進(jìn)行停爐處理，負(fù)荷變化調(diào)整可能影響公司蒸汽正常使用。

（4）造成經(jīng)濟(jì)損失。130 t/h鍋爐啟、停過程造成的能耗損失約2萬元，另外，泄漏點(diǎn)也存在能耗損失和處理漏點(diǎn)的維修費(fèi)用。

4 原因分析及檢查處理情況

4.1 初步分析

省煤器泄漏位置均在集箱和管接頭的焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)域內(nèi)，均為橫向裂紋在相同位置出現(xiàn)重復(fù)開裂。分析導(dǎo)致省煤器短接管頻繁泄漏的可能原因有以下方面：

（1）操作不當(dāng)，運(yùn)行工藝參數(shù)超標(biāo)。

（2）材料選擇錯(cuò)誤。

（3）設(shè)計(jì)不合理。

（4）安裝質(zhì)量不合格。

（5）過熱。

（6）腐蝕。

（7）受熱應(yīng)力影響。

4.2 根據(jù)原因分析進(jìn)行檢查

（1）2016年發(fā)生的泄漏，原因排查時(shí)首先檢查的是操作記錄和運(yùn)行參數(shù)曲線，未發(fā)生超溫、超壓和其他操作不當(dāng)現(xiàn)象，近期泄漏排查也沒有類似情況。

（2）設(shè)備經(jīng)過四川特檢院和大慶市三維檢驗(yàn)監(jiān)測公司檢驗(yàn)合格，2017年2月17日對(duì)省煤器集箱進(jìn)行材質(zhì)檢測，未發(fā)現(xiàn)有材料問題（圖6）。2017年5月4日更換省煤器集箱，對(duì)新到貨集箱材質(zhì)檢驗(yàn)合格，而且材料選用的是20G高壓鍋爐用無縫鋼管（圖7）。

圖6 省煤器集箱材質(zhì)檢驗(yàn)

圖7 新省煤器集箱材質(zhì)檢驗(yàn)

（3）5#鍋爐省煤器由四川鍋爐廠設(shè)計(jì)制造，具有專業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)和制造資質(zhì)，并經(jīng)特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)合格。

省煤器集箱泄漏管束與集箱采用承插焊形式，承插焊形成的是角焊縫，承插焊的承口有補(bǔ)強(qiáng)的作用，所以高壓下也多有使用，省煤器管束與集箱的短接管采取對(duì)接焊的方式進(jìn)行連接（圖8）。

圖8 省煤器集箱管焊接處

省煤器安裝完成后進(jìn)行試運(yùn)，發(fā)現(xiàn)煙氣換熱溫度不能滿足脫銷工藝要求，設(shè)計(jì)單位提議對(duì)上級(jí)省煤器煙氣入口加裝擋板以調(diào)整換熱面積，擋板加裝后在對(duì)上級(jí)省煤器支管管壁測溫時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分管束存在超溫現(xiàn)象，設(shè)計(jì)單位技術(shù)人員進(jìn)行核算分析后，指導(dǎo)對(duì)超溫管束進(jìn)行截?cái)?，集箱截?cái)喽探庸苓M(jìn)行封堵，共計(jì)封堵8組省煤器換熱管束（共30組），換熱面積減少728 m2，才能夠滿足使用要求，同年對(duì)省煤器出口集箱進(jìn)行更換，至今未發(fā)現(xiàn)省煤器管束超溫現(xiàn)象。

封堵的管束由于長時(shí)間在煙氣中干燒，現(xiàn)場出現(xiàn)塌陷變形現(xiàn)象，部分翅片變形后插入到相鄰管翅片中（圖9）。

圖9 省煤器管塌陷

（4）省煤器改造后運(yùn)行時(shí)間較短，出口集箱更換后累計(jì)運(yùn)行時(shí)間僅為12 300 h。省煤器集箱處多次拆裝保溫，未發(fā)現(xiàn)外部腐蝕現(xiàn)象，大連特檢院在對(duì)省煤器集箱全面檢驗(yàn)也沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。另外，水質(zhì)有車間和質(zhì)檢中心的化驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)督，未出現(xiàn)水質(zhì)不合格的現(xiàn)象，如水質(zhì)腐蝕應(yīng)為點(diǎn)腐蝕或腐蝕減薄，不會(huì)出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

（5）對(duì)省煤器出口集箱進(jìn)行更換后，至今未發(fā)現(xiàn)省煤器管束超溫現(xiàn)象。但在省煤器安裝過程中存在管束組對(duì)焊接時(shí)有采用機(jī)械力強(qiáng)制管束對(duì)中的情況，可能有應(yīng)力未消除問題。

（6）對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行檢查可見，漏點(diǎn)位置均為集箱短接管角焊縫焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)域內(nèi)，均為橫向裂紋，并存在重復(fù)出現(xiàn)的情況。

鍋爐在啟、停過程的溫度變化產(chǎn)生應(yīng)力變化，特別是在啟、停過程中熱應(yīng)力使設(shè)備產(chǎn)生較大的膨脹力，對(duì)于省煤器集箱本身幾乎不能發(fā)生變形和移位，只有與之相連接的管束應(yīng)力變化傳遞給集箱，致使集箱發(fā)生位移。通過觀察膨脹指示可見省煤器集箱向東南（ES）方向發(fā)生位移，主要應(yīng)是省煤器管Ⅰ和Ⅱ產(chǎn)生的熱膨脹力F1和F2造成的（圖10），集箱位置沿著位移方向發(fā)生變化，但也由于集箱卡具，3根DN100的出水管Ⅲ和固定在4根鋼梁上的省煤器管束支撐Ⅳ等作用，使集箱位移受到限制，致使省煤器管Ⅰ和Ⅱ產(chǎn)生的膨脹力集中在集箱短接管根部，如果某一根管承受不住集中的應(yīng)力，就會(huì)在集箱接管角焊縫熔合區(qū)或熱影響區(qū)相對(duì)薄弱的接管母材一側(cè)發(fā)生裂紋。

圖10 省煤器管熱膨脹力分析

從泄漏次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，Ⅰ組省煤器管的漏點(diǎn)較多，按工藝原理Ⅰ的溫度應(yīng)最高，溫度越高膨脹長度就越大，Ⅰ和Ⅱ的彎度都應(yīng)能夠起到自然補(bǔ)償來消除管道膨脹帶來的應(yīng)力，但Ⅱ的彎度更大，所以，Ⅱ能承受的應(yīng)力變化能力更強(qiáng)，而Ⅰ最先遭到破壞。

具體受力情況如圖11所示，省煤器管束由安裝在4處空心鋼梁上的支柱Ⅳ進(jìn)行支撐，所以，蛇形管更多的向上方（U）膨脹，Ⅰ在集箱的彎處受到向左上方（UL）的力，而對(duì)接焊縫的強(qiáng)度、受力狀況等要優(yōu)于承插焊縫，所以，泄漏點(diǎn)發(fā)生在集箱根部角焊縫焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)域內(nèi)。

圖11 省煤器管受力方向

4.3 原因確定

根據(jù)可能存在的原因和檢查結(jié)果判斷，發(fā)生上級(jí)省煤器出口集箱短接管頻繁泄漏的根本原因如下：

（1）直接原因：管線受應(yīng)力影響，導(dǎo)致在集箱接管角焊縫相對(duì)薄弱的接管母材一側(cè)發(fā)生泄漏，即焊道與母材間的熔合區(qū)或熱影響區(qū)發(fā)生橫向裂紋。

（2）間接原因：①省煤器設(shè)計(jì)存在缺陷，而且管束封堵后，截?cái)嗟氖∶浩鞴苁?，翅片插入相鄰管翅片?nèi)受限，煙氣流量也較大，附近的管束受熱影響，與其他管束熱應(yīng)力出現(xiàn)差異，膨脹變形不同；②集箱支撐限制設(shè)備自由膨脹；③管束對(duì)接過程采用機(jī)械力強(qiáng)制牽引，導(dǎo)致管束承受應(yīng)力；④施工質(zhì)量驗(yàn)收不到位，沒有及時(shí)糾正和整改采取機(jī)械力強(qiáng)制對(duì)中焊接的問題，安裝跟蹤不及時(shí)，沒有進(jìn)行省煤器支撐、限位等關(guān)鍵點(diǎn)確認(rèn)。

4.4 整改措施

（1）安裝膨脹指示器，及時(shí)監(jiān)督設(shè)備膨脹情況。

（2）檢查煙道內(nèi)的省煤器管束，對(duì)塌陷的管束上方進(jìn)行擋板隔離，減少臨近省煤器管束的高溫?zé)煔庥绊憽?/p>

（3）拆除省煤器集箱檢查孔，檢查集箱內(nèi)管束口沒有異物堵塞。

（4）檢查省煤器穿墻管處為澆注料封閉，為了消除澆注料影響管束膨脹的可能性，將澆注料改為硅酸鋁纖維氈進(jìn)行封閉。

（5）漏點(diǎn)處理：①選用J427電焊條，采取手工電弧焊的方式進(jìn)行多層多道作業(yè)；②對(duì)裂紋部位盡量進(jìn)行打磨之后進(jìn)行補(bǔ)焊；③對(duì)漏點(diǎn)相鄰短接管焊道處進(jìn)行加強(qiáng)；④對(duì)無法補(bǔ)焊的管束彎管處進(jìn)行更換，將彎管弧度加大，增加膨脹量，集箱處掏孔角焊縫，水平管對(duì)接焊；⑤進(jìn)行焊接熱處理，減緩焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度，保護(hù)焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能。

（6）省煤器出口集箱支撐之初安裝形式為集箱坐落在U形支撐內(nèi)，可能存在膨脹受限的情況。首先，經(jīng)過分析和對(duì)比4#鍋爐省煤器集箱支撐形式，將5#鍋爐省煤器出口集箱支撐形式改造成水平支撐和倒U形卡限位相結(jié)合，且U形卡可調(diào)整（圖12）。

圖12 省煤器集箱支撐形式改造

（7）由于集箱位置限制省煤器管束在集箱處的熱膨脹，使管束始終承受較強(qiáng)的熱應(yīng)力，先后在集箱支撐處曾加兩塊3 mm厚的鋼板（圖13），目前集箱已提高6 mm，目的是將省煤器管在冷態(tài)下受力拉伸，當(dāng)管束在熱態(tài)膨脹時(shí)起到補(bǔ)償作業(yè)，由于部分管束彎管進(jìn)行了更換，目前墊板拆除1片。

圖13 省煤器集箱墊板

（8）加強(qiáng)對(duì)省煤器上級(jí)集箱的巡檢和定期檢查，包括膨脹指示，溫度變化等內(nèi)容。

（9）加強(qiáng)工藝操作監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)問題嚴(yán)肅考核。

（10）加強(qiáng)學(xué)習(xí)培訓(xùn)，提高業(yè)務(wù)水平，并繼續(xù)進(jìn)行泄漏原因的技術(shù)分析和消減措施實(shí)施工作。

（11）制定大修計(jì)劃，對(duì)上級(jí)省煤器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用懸吊結(jié)構(gòu)，在管夾內(nèi)可以適當(dāng)自由膨脹，利于吸收熱膨脹應(yīng)力；集箱管接頭張得較開，也有利于吸收熱膨脹應(yīng)力；管接頭為厚壁管，與集箱角接焊透（圖14）。

圖14 省煤器布置

5 總結(jié)

鍋爐作為關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備完好尤為重要，上級(jí)省煤器出口集箱管接頭泄漏直接影響鍋爐安全運(yùn)行，經(jīng)過現(xiàn)場排查情況進(jìn)行原因分析，在逐步落實(shí)整改措施的同時(shí)，對(duì)上級(jí)省煤器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用懸吊結(jié)構(gòu)，集箱管接頭張得較開，管接頭為厚壁管等措施，徹底解決省煤器集箱管接頭泄漏問題。另外，要嚴(yán)格控制運(yùn)行參數(shù)和工藝操作，禁止出現(xiàn)超溫和超壓等異常參數(shù)，并且要加強(qiáng)檢修質(zhì)量管控，檢修質(zhì)量驗(yàn)收嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，按照檢修作業(yè)規(guī)程作業(yè)，步步有確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正。