某電廠2#鍋爐爆管原因分析及預防措施

裴漸強 佟 桁 姜建華 徐 冬

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院新鄉分院 新鄉 453003）

（2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 鄭州 450016）

1 鍋爐基本情況

某電廠2#鍋爐，型號為DG2102/25.4--II1，出廠編號為118035，出廠日期為2006年9月，其基本參數為：最大蒸發量2102t/h，過熱蒸汽出口壓力25.4MPa，過熱蒸汽出口溫度571℃，再熱蒸汽出口壓力4.11MPa，再熱蒸汽出口溫度569℃，再熱蒸汽流量1760t/h，給水溫度282℃，省煤器出口過剩空氣系數1.14，空預器出口一次風溫332℃，空預器出口二次風溫347℃，排煙溫度132℃，鍋爐效率92.51%，燃煤（設計煤種）耗量244.36t/h。該鍋爐是一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行的本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、全鋼架全懸吊結構，Π型露天布置。鍋爐采用HT-NR3旋流燃燒器，前后墻對沖布置，共4層，下三層為煤粉燃燒器，每層8只，共24只；第四層為燃盡風，每面墻6只，共12只。

2 爆管情況

該鍋爐在168小時試運過程中，曾經發生三次爆管，具體情況如下：

1）第一次爆管：2007年6月12日12：30分左右，第一次試運約124h，運行人員發現補水量突然增大約80t/h，泄漏報警儀報警，現場檢查確認為高溫過熱器爆管，16：05緊急停爐。冷卻后，6月14上午現場察看，共有3根管子發生爆管，分別是末級過熱器（自左至右共計31排管子）左數第15排前數第14根，左數第16排（末級過熱器正中間）前數第8、10根管。首爆管初步認為是左數第16排（末級過熱器正中間）前數第8、10根管（左數第15排前數第14根爆口兩側無明顯漲粗），爆口兩側管子各約300mm范圍內管子有不同程度的脹粗現象，最大直徑達到48.4mm，且爆口附近無沖蝕痕跡，爆口距頂棚約4.8m，管子經左右撞擊已嚴重扭曲，向前撞擊了屏過，左右撞擊末級過熱器，向后撞擊了高溫再熱器。

圖1 左往右數第16排前數第10根爆口

圖2 左往右數第16排前數第10根爆口

圖3 左往右數第16排前數第8根爆口

爆破管子材質為TP347H，規格為φ45×6.9 mm，對爆口及附近管子進行宏觀檢驗，左往右數第16排前數第10根末級過熱器爆口宏觀形貌如圖1、圖2所示；左往右數第16排前數第8根末級過熱器爆口宏觀形貌形狀如圖3所示，爆管已撕裂斷開。爆口沿管子軸向開裂，無沖刷痕跡，爆口附近外表面裂紋呈軸向分布；爆口邊緣明顯減薄，厚度約為2mm，爆口處有明顯漲粗，爆口有剪切唇，屬于韌性開裂。爆口附近（300mm內）最大漲粗值分別為48.4、48.4、48.04、48.2mm，對爆破管子其它位置進行測量最大漲粗值分別為45.9、45.8mm。對15、16、17排未爆破管子進行測量其外徑均在45.1～45.2mm之間。

2）第二次爆管：2007年6月22日20：20分左右，第二次試運約54h，運行人員發現泄漏報警儀報警，補水量突然增大，經現場檢查確認為高溫過熱器爆管，21：51緊急停爐。冷卻后，6月24上午現場察看，檢查發現第16排管子前數第11根靠近中部位置爆管，爆口距頂棚約6m，管子經左右撞擊已嚴重扭曲，向右側穿過4排管子，又折向左側穿過2排管子。

爆破管子材質為TP347H，規格為φ45×6.9 mm，管子為上次更換過的新管，爆口附近最大漲粗值分別為48.1、47.7，爆口附近有10余條微裂紋。對14、15、16、17、18排未爆破管子進行測量，其外徑均在45.1～45.2mm之間。

3）第三次爆管：2007年6月29日凌晨3：15左右，第三次試運約20h，鍋爐再次發生爆管，4：40左右緊急停爐。7月2日經現場檢查，確定為高溫過熱器左數第16排出口段后數第13根管中部爆管，爆口距頂棚約7.8m，管子經左右撞擊已嚴重扭曲，向右穿過17、18排，向后左方又穿過高再第17、16排。

爆破管子材質為TP347H，規格為φ45×6.9 mm，爆口附近最大漲粗值分別為48.1、49.0，爆口附近800mm有20余條微裂紋。對13、14、15、16、17、18、19排未爆破管子進行測量其外徑均在45.1～45.2mm之間。

3 處理措施

1）第一次爆管發生后，為了完成原訂于2007年6月30日試運完畢的計劃，筆者初步認定爆管屬于短時超溫爆管，爆管原因可能是管子材質存在問題，也可能是管內異物引起的。筆者要求電廠對屏過出口集箱、末級過熱器進口集箱進行檢查。用內窺鏡檢查末級過熱器進口集箱發現第15排前數第9號管管口處有一焊渣（見圖4）， 第16排前數第9、10號管口之間有一段扁鋼長約350mm，寬度約35mm，第 23排10號管管口處發現一“眼鏡片”（見圖5），在第17排前數第10號管管口處發現一段8號鐵絲，長度約150mm（見圖6）；將上述異物全部取出并將整根集箱內部清理干凈。6月18日搶修完畢（搶修所用管子為倉庫余料，與安裝時所用管子為同材質、同批次，對所有泄漏和損傷的管子全部進行了更換），開始第二次點火試運。

圖4 焊渣長度（80×30mm）

圖5 φ25mm的類“眼鏡片”

圖6 長150mm V形鐵絲

2）第二次爆管發生后，檢查發現爆破管子為第一次檢修時更換過的新管，爆口與第一次爆管的特征相似，爆口附近有10余條微裂紋，于是筆者仍認為第二次爆管屬于短期超溫過熱爆管，爆管原因和第一次相同。為確認爆管是否由材質不良引起的，筆者對爆破管子的金屬元素、金相組織進行了分析，分析結果表明材料中各元素含量及金相組織均屬正常（分析結果詳見爆管原因分析部分）。

6月26日搶修完畢，搶修所用管子為從鍋爐制造單位新進材料，使用前對管子進行了全元素光譜分析，符合TP347H標準要求，規格為φ45×6.9mm，將末級過熱器爆管的第16排第11根管子以及其他損傷的管子全部進行更換，之后開始第三次點火試運。

3）第三次爆管發生后，電廠再次組織專家進行事故原因分析，要求務必確定事故原因，消除所有隱患，確保鍋爐的安全運行；6月30日雙投時限向后推遲。根據對管子的金屬元素、金相組織進行分析結果基本正常，第三次爆口與第一、第二次爆管的特征相似，爆口附近仍有20余條微裂紋的特點，筆者確定第三次爆管仍屬于短期超溫過熱爆管，原因為管內異物引起。筆者要求電廠對鍋爐后包墻集箱進行內窺鏡抽查，對低過、屏過、末級過熱器、減溫器所有集箱進行檢查，將所有贓物、雜物徹底清除；對末級過熱器第15、16、17排管子逐段進行漲粗檢查，第16排的20根管圈逐根進行通球；同時要求鍋爐制造單位對末級過熱器節流圈進行設計校核。

檢查發現，屏過入口分配集箱第6排一管口內有一段長度約120mm鐵絲，屏過入口分配集箱左第7根端蓋處發現一斷裂砂輪片的網狀纖維組織，面積約15×20mm，屏過入口分配集箱第11排一管口附近發現一環形機加工鐵屑，直徑約30mm；末級過熱器進口集箱第16排第13根管口處有一氧化鐵塊，長度約60mm，最寬處約15mm，正卡在管口處；在末級過熱器進口集箱第16排第16根管口附近還發現兩個氧化鐵塊，一塊尺寸約10×24mm，另一塊尺寸約95×25mm。發現的七塊異物全部取出。其余集箱檢查均未發現問題。

對爐內高溫過熱器第15、16、17排管子逐根分段進行脹粗、壁厚和外觀檢查，每隔1.5m選取一個點測量，沒有發現異常。對末級過熱器第16排20圈管子全部進行通球檢查，均順利通過，未發現問題。

鍋爐制造單位對節流孔和管子設計進行了重新計算和校核，結果表明節流孔設計及管子規格、材質滿足使用要求，未發現不當之處。

7月7日搶修完畢，開始第四次點火試運，168小時試運順利完成。

4 爆管原因分析

第二次爆管發生后，為確認爆管的主要原因是否由材質不良引起的，筆者對管子（樣管為第一次爆破的管子，左往右數第16排前數第8、10根末級過熱器管子）的金屬元素、金相組織進行分析。對爆口處管子進行全光譜分析，結果見表1，各元素含量均正常。

表1 管子全光譜分析結果

對爆口及附近管子進行金相分析，結果如金相照片（見圖7～圖10），爆口端部：沿周向變形拉長的奧氏體組織，外表面存在小裂紋。爆口附近：金相組織為等軸狀奧氏體，存在孿晶。爆口及附近金相組織均正常。

根據宏觀檢查和上述分析結果，筆者認為爆管的主要原因是異物堵塞（或部分堵塞）造成氣流不暢，引起管子超溫以致爆破，屬于短時超溫爆管。

圖7 爆口端部金相組織（500×）

圖8 爆口端部外表面形貌（200×）

圖9 距爆口40mm附近組織（500×）

根據宏觀檢查和上述分析結果，筆者認為爆管的主要原因是異物堵塞（或部分堵塞）造成氣流不暢，引起管子超溫以致爆破，屬于短時超溫爆管。

爆管的主要原因是異物堵塞，異物應由蒸汽攜帶而來。蒸汽垂直攜帶水滴當量直徑計算公式為：

式中：D——蒸汽攜帶水滴當量直徑，m；

ξ——蒸汽對水滴的摩擦系數，ξ=10/Re1/2；

ρ1——水滴質量密度，kg/m3；

ρ2——蒸汽質量密度，kg/m3；

v2——蒸汽流速，m/s ；

g——重力加速度，m/s2。

圖10 距爆口70mm附近組織（500×）

該鍋爐從屏式過熱器出口集箱至末級過熱器進口集箱由兩根管道連接，管徑均為φ508×85mm，經計算可知，連通管內蒸汽流速約為v2=42.7m/s。根據末級過熱器進口集箱設計參數p=25.9MPa、t=509℃，可查得蒸汽質量密度ρ2=90.7kg/m，蒸汽運動黏度系數μ=0.0000326Pa·s；則動力黏度系數v=μ/ρ2=3.59×10-7m/s， Re=v2d/v=40200000(d——管道內直徑，0.338m)，ξ=10/Re1/2=0.00158，按ρ1=1000kg/m代入式（1）得D1=0.022m，即蒸汽垂直攜帶水滴直徑可達22mm。蒸汽水平攜帶水滴時由于沿程摩擦阻力比重力為小，蒸汽水平攜帶水滴直徑將大于22mm；蒸汽水平攜帶非金屬物質時由于沿程摩擦阻力比水滴為大，蒸汽對非金屬物質的摩擦系數比水滴大，非金屬物質質量密度與水滴質量密度相近，則蒸汽水平攜帶非金屬物質時當量直徑仍然可達幾十毫米；蒸汽水平攜帶金屬物質時由于沿程摩擦阻力比水滴為大，蒸汽對金屬物質的摩擦系數比水滴小，且金屬物質質量密度約為水滴質量密度的8倍，則蒸汽水平攜帶金屬物質時當量直徑可達幾毫米，遠較非金屬物質為小，但鋼絲之類的金屬仍可攜帶。

從上述計算和推斷，筆者認為屏式過熱器出口集箱至末級過熱器進口集箱的連通管道內，蒸汽完全有能力攜帶當量直徑幾十毫米的非金屬焊渣及網狀物質，而這些物質一旦落到了末級過熱器進口集箱的管口處（節流圈直徑φ=12.5～14.5mm）將會造成管口的堵塞，使個別管子氣流不暢，以致引起短時超溫爆管。

既然蒸汽有能力攜帶非金屬焊渣及網狀物質堵塞末級過熱器進口集箱的管口處，那么用內窺鏡檢查時怎么見不到上述物質呢？是根本不存在還是被蒸汽帶走了呢？下面我們以第16排第10根（節流圈直徑為13mm）為例進行計算。

管子爆破后理論蒸汽排放量計算式為：

式中：A——流道面積，mm；

p——進口處絕對壓力，MPa。

將末級過熱器進口集箱管口處的各參數代入式(2)得Q=25900kg/h（實際流量由于管子阻力的存在將比計算值小），由此可計算出節流圈處蒸汽流速v=597m/s，代入式（1）可得阻力系數ξ=0.00215，蒸汽可攜帶水滴當量直徑D2=5.85m=266D1，即該處的蒸汽攜帶能力為連通管道內的266倍，所以管子爆破后蒸汽將節流圈處的堵塞物瞬時送至煙風系統，以致爆管后用內窺鏡檢查時見不到任何堵塞物。

為什么三次爆管均發生在末級過熱器的第16排？其偶然性在于鍋爐管路系統存在雜物，堵塞或部分堵塞了末級過熱器的管路，造成了末級過熱器第16排被堵管子的超溫爆管。其必然性在于該鍋爐的結構，一是該鍋爐從屏式過熱器出口集箱至末級過熱器進口集箱由兩根管道連接，一根從屏式過熱器出口集箱的左端引出經二級減溫器到末級過熱器進口集箱的右端，另一根從屏式過熱器出口集箱的右端引出經二級減溫器到末級過熱器進口集箱的左端，管徑均為φ508×85mm，經計算可知，連通管內蒸汽流速約為42.7m/s，至末級過熱器進口集箱的第16排管口處的蒸汽流速僅為2.75m/s。質量較小的物質可從屏式過熱器出口集箱處被攜帶至末級過熱器進口集箱，由于末級過熱器進口集箱內從端部至中間蒸汽流速急劇下降，雜物極易落至末級過熱器進口集箱的第16排管口處，從而使末級過熱器的第16排管子易于堵塞；二是末級過熱器的第16排管子位于爐膛出口的正中間（自左至右末級過熱器共有32排管子），鍋爐采用HT-NR3旋流燃燒器，前后墻對沖布置，爐膛中部的煙溫最高，從而使末級過熱器的第16排管子成為末級過熱器的最薄弱環節，以致造成了2#鍋爐的三次爆管事故均出現在第16排管子處。

5 預防措施及建議

通過2#鍋爐爆管原因分析，筆者認為新安裝大型電站鍋爐應做好受熱內部的清潔工作，以防止類似的鍋爐爆管事故發生，建議采取以下幾方面措施：

1）安裝前對各類管子進行100%通球，保證暢通，防止制造過程中產生的雜物積存，堵塞受熱面管子。

2）鍋爐化學清洗后，應割開鍋爐下部各集箱封堵，進行100%內部檢查，以清除鍋爐安裝過程中帶進管道系統的各種雜物。

3）鍋爐吹管后，應割開鍋爐過熱器、再熱器各集箱封堵，進行100%內部檢查，以清除制造、安裝、化學清洗過程產生的各種雜物，防止各類管子堵塞引起的爆管事故。

[1] 江宏俊.流體力學[M].陜西：西安交通大學出版社，1983.

[2] 曾丹苓,等.工程熱力學[M].北京：人民教育出版社，1980.

[3] 車得福,等.鍋爐[M].陜西：西安交通大學出版社,2004.

[4] 陳學俊,等.鍋爐原理[M].北京：機械工業出版社，1981.

[5] GB 12242--1989.安全閥性能試驗方法[S].