一起蒸發器爆管事故的原因分析及預防措施

張 堯， 蘇德林， 李光耀， 李 坎

(南通萬達鍋爐有限公司， 江蘇南通 226014)

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一起蒸發器爆管事故的原因分析及預防措施

張 堯， 蘇德林， 李光耀， 李 坎

(南通萬達鍋爐有限公司， 江蘇南通 226014)

分析了余熱鍋爐蒸發器爆管是由于流動加速腐蝕而導致管壁減薄的情況，提出減少鍋爐啟停次數及控制水質、蒸發器材料采用低合金鋼管和大彎曲半徑彎頭，鍋爐設計時增加工作壓力來提高蒸發器飽和溫度等整改措施。

余熱鍋爐； 蒸發器； 爆管； 流動加速腐蝕

鍋爐管爆管時，水汽會大量噴出，常形成鍋爐缺水，必須迅速正確地處理。某冶金單位一臺余熱鍋爐出現爆管后檢修，經檢查發現管壁上部變薄，位置為管束進集箱處。筆者從該爆管特征、管束材質及現場運行情況等入手，對可能導致爆管的原因進行了分析，提出了改進措施，滿足了鍋爐運行要求。

1 故障情況

1.1 蒸發器結構

本鍋爐立式布置、自然循環，蒸汽段(見圖1)由進口集箱、出口集箱和管束組成。集箱由d=219 mm,δ=10 mm的鋼管(材料為20/GB 3087)制成；管束由d=51 mm,δ=3 mm的鋼管(材料為20/GB 3087)加焊環向繞翅片(規格：螺距8 mm、高度24 mm、厚度1 mm)制成。煙氣(進口溫度322 ℃)從上向下橫向沖刷各組蒸發器。爐水通過兩根集中下降管進入分配集箱，由連接短管引入蒸發器各下集箱。工質在管束內被加熱為汽水混合物，產生的汽水混合物經上集箱由連接管引入鍋筒。

圖1 蒸發器示意圖

1.2 故障檢查

該鍋爐投入運行不到一年，已發生多次爆管，封堵比例達1/4，根據現場觀察，損壞位置為第一組蒸發器。第一排蒸發器管箱直接與煙氣進口連接，該排管熱負荷最大，煙氣條件及流場波動對該排管束內介質流動工況產生較大的影響，表現在該管段內汽水比例及介質流速的波動，波動達到一定程度會造成管壁的磨損。

局部區域爆管在同類型鍋爐中并不常見，現場所截取的管段表明爆管原因是管壁厚減薄。而減薄區域全部發生在管子上半部內表面，從彎頭處開始逐步軸向延伸，徑向上頂點最薄，進而沿圓周向兩側均勻過渡，手感光滑，無明顯凹坑頓挫感 (見圖2),各管的最大減薄量在0.1～1.8 mm，此排管束壁厚及第二層管束(沿煙氣流動方向)的現場測量結果見表1。

圖2 管子減薄區域示意圖

表1 管束壁厚的現場測量結果 mm

表1(續)

另外從鍋筒內清理出的鐵屑(見圖3)足足超過10 kg，這些鐵屑一直沉積在鍋筒底部，取樣檢測到水質有變，但無法采取有效措施，導致其越積越多。對鍋筒中沉渣樣進行分析結果見表2，水垢化驗分析結果見表3。

圖3 鍋筒鐵屑

表2 鍋筒沉渣樣分析結果 %

表3 鍋爐爆管水垢化驗分析結果 %

燒結爐受熱管內壁發現有紅色鐵的氧化物存在，初步判定為沉渣。壁厚減薄的管子外觀良好，無外部腐蝕，因此可確定壁厚減薄是由內向外腐蝕的結果；腐蝕區域面積大，內壁表面存在大量密密麻麻的蜂窩狀蝕坑，壁厚減薄明顯。據反映爐窯工藝生產過程是周期性的，煙氣波動大，蒸發量不穩定。

2 原因分析

2.1 鍋爐蒸發器爆管原因

鍋爐蒸發器爆管一般原因歸納為：

(1) 給水水質不符合標準要求，甚至沒有進行給水處理，使管子結垢或腐蝕，造成管壁過熱、強度下降使管子破裂。

(2) 管內水循環遭到破壞，水循環停滯、倒流或汽水分層、下降管帶汽等。

(3) 煙氣長期磨損，特別是受熱面管子處于煙氣拐彎處或正面被沖刷處。

(4) 設計缺陷，強度計算、壁溫計算等不符合要求。

(5) 鍋爐受熱面管管材不合格，在制造安裝時未發現裂紋、夾層、結疤、夾渣，或焊縫質量不好等。

(6) 運行管理不善，缺乏運行管理制度，操作水平不規范，甚至違章等操作[1]。

2.2 爆管部位分析

圖4為管子腐蝕減薄區域示意圖，打剖面線部分為腐蝕減薄區。現場對爆管割管檢查，減薄區位于出口集箱處，沿工質流向在彎頭及彎頭前部區域。該管子設計計算壓力1.6 MPa，計算溫度取260 ℃,按GB/T 16507.4—2013 《水管鍋爐受壓元件強度計算》，設計計算厚度為1.79 mm,取用3 mm,完全符合要求。鍋爐管子爆管與設計壁厚選擇無直接關系。

圖4 管子腐蝕減薄區域示意圖

蒸發器整個回路采用自然循環，根據水動力計算，第一組蒸發器在各運行工況下局部循環倍率最小為11，循環流速0.31 m/s,工質運行溫度190 ℃。對同一根管子而言，頂部含汽量最大，汽水混合物流速最高。與出口集箱連接管子彎頭附件，汽水混合物的流向在此改變，極易發生沖刷腐蝕。

求得的雷諾數Re=109<2 000,因此工質處于層流狀態。文獻[2]中規定對流受熱面不發生汽水分層的最低質量流速300 kg/(m2·s)，該排管束質量流速雖然小于此數值，但考慮到運行工況是低溫低壓，根據現場運行經驗是安全可靠的[2]。

2.3 流動加速腐蝕(FAC)

流動加速腐蝕(FAC)，即通常附著在碳鋼表面上的保護性磁性鐵垢(Fe3O4)保護層溶解到了流水或濕蒸汽流中。流動加速腐蝕主要發生在疏水管線、輔助給水管線、汽水分離層中流速不太高的管道中。碳鋼管道流動加速腐蝕的微觀機理分為三步：第一步，電化學反應，鐵原子被氧化，在金屬-氧化膜界面上不斷產生新的亞鐵離子；第二步，亞鐵離子在多孔的氧化膜中擴散；第三步，氧化膜-水流界面上的亞鐵離子溶解，擴散進入流體的邊界層中，并被流體帶走。

其中，電化學反應的陰極和陽極反應如下：

陰極

Fe→Fe2++2e-

(1)

陽極

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

生成的亞鐵離子和氫氧根離子結合為氫氧化亞鐵，而氫氧化亞鐵不穩定，會轉化為固態的四氧化三鐵保護膜，吸附在碳鋼表面。反應方程式如下：

Fe2++2OH-?Fe(OH)2

(3)

4Fe(OH)2+2H2O+O2?4Fe(OH)3

(4)

水溶液中Fe(OH)2與Fe(OH)3相互碰撞，生成Fe3O4。在流速不高的情況下，Fe3O4氧化膜逐漸溶解于流體中并被流體帶走，于是新的Fe3O4氧化膜形成，再被溶解、帶走。當Fe3O4溶解于水或汽水混合物的速度大于Fe3O4的生成速度，并且流體還將腐蝕反應的中間產物帶走，這就促進腐蝕反應正向進行，此過程持續進行,碳鋼管壁就發生了減薄現象(見圖5)。

圖5 FAC機理及影響因素

2.4 流動加速腐蝕影響因素

現場爆管主要發生在煙氣流向第一層受熱面，減薄區域全部發生在管子上半部內表面，管子金屬外觀良好，無外部腐蝕，這些現象與FAC很相似。

影響流動加速腐蝕的主要因素有溫度、工質流速、材料中合金元素及給水化學成分等。流動加速腐蝕最容易發生的溫度在120～190 ℃，最嚴重在150 ℃，Fe3O4在150 ℃水中溶解度最大，腐蝕速度也達到了最大值。在碳鋼中加入易鈍化的Cr、Ni、Mo等合金元素，這些金屬自身不但容易形成結構致密的耐蝕氧化膜，還有助于碳鋼表面形成結構致密的羥基氧化鐵保護膜。

3 預防措施

3.1 整改

由于該臺蒸發器管損壞嚴重，已無法修復，只能作更換處理，對壁厚減薄的管子用12Cr1MoVG材料進行局部替換。在處理爆管管束時，首先要將破裂部位連同附近變形管段一起割除，并向外延伸100 mm,在更換短管時，對接焊縫間距不小于150 mm；其次不得在彎頭處割斷，要連同彎管一起割換；再次對事故管不能采取截斷堵接法；最后在修復后按TSG G0001 《鍋爐安全技術監察規程》的要求，對鍋爐本體進行水壓試驗。

鍋爐運行中，應盡量避免由于壓力隨負荷波動頻繁劇烈，減少鍋爐啟停；做好水處理工作；按規定加藥，按制度做好排污工作。對系統水汽控制工況進行優化調整，以減緩蒸發器系統的FAC。目前可利用鍋筒的加藥系統，通過此加藥系統往低壓爐水添加氨水來提高低壓爐水的pH值，控制其在9.5～9.7[3]。

3.2 預防

由于余熱鍋爐的入爐煙溫度和煙氣流量及鍋爐運行受整個工業生產負荷變化的影響大，在鍋爐設計時要根據產生余熱煙氣的特點，計算不同工況運行條件。通過本次事故分析，筆者認為應在以后設計中進行優化：

(1) 煙氣流向第一、二排管子的吸熱量占蒸發受熱面比例最多，彎頭部分由于渦流作用，擾動加劇，大大提高了腐蝕速率，從鍋爐運行安全可靠、經濟性等方面綜合考慮，盡量將可能存在流動加速腐蝕區域的碳鋼管子更換為低合金鋼管子，如15CrMoG、12Cr1MoVG或T22鋼；采用大彎曲半徑彎頭或直管段的形式改善流場[4]。

(2) 余熱煙氣波動大，蒸發量不穩定，設計時盡可能提高工作壓力，以提高蒸發器飽和溫度。蒸發器壁面處介質劇烈相變過程對金屬氧化膜有很強的破壞作用，在滿足設計運行要求下，熱負荷較大的回路中，盡量采用單獨的循環回路，使局部循環倍率大于50，循環流速應大于0.4 m/s。

對于已經投產的機組，運行操作過程中應采取以下措施：

(1) 實時監測低壓給水、爐水、飽和蒸汽、過熱蒸汽中氫氣含量及鍋筒腐蝕情況，尤其是只有鍋筒無除氧器余熱爐。

(2) 利用機組檢修機會，在FAC腐蝕易發區，即高溫煙氣側對管子局部進行測厚或割管檢查，發現問題及時消除。

(3) 優化余熱鍋爐運行工況，從現場運行入手，設法減小煙氣溫度變化幅度及頻率[3-4]。

4 結語

通過對余熱鍋爐蒸發器爆管事故的原因進行分析，得出流動加速腐蝕及余熱煙氣波動大導致管束在出口集箱處爆管，并從設計和現場運行方面提出了預防和控制措施。如有條件，也可建立壁厚減薄的數學模型，編制計算機程序，計算碳鋼管道剩余壁厚。

[1] 劉樹禮, 劉宇航. 工業鍋爐安裝、運行、維修禁忌手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2008.

[2] 上海發電設備成套設計研究所. 電站鍋爐水動力計算方法: JB/Z 201—1983[S]. 上海: 上海發電設備成套設計研究所, 2001.

[3] 王利宏, 單建明, 李偉, 等. 聯合循環余熱鍋爐中的流動加速腐蝕[J]. 發電設備, 2010, 24(6): 409-413, 429.

[4] 黃杰. 低壓蒸發器換熱管泄漏原因分析及處理措施[J]. 廣東電力, 2013, 26(5): 107-110.

Cause Analysis on Tube Burst Accident of an Evaporator and the Preventive Measures

Zhang Yao, Su Delin, Li Guangyao, Li Kan

(Nantong Wanda Boiler Co., Ltd., Nantong 226014, Jiangsu Province, China)

An analysis was conducted on the tube burst accident of a waste heat boiler's evaporator, which was found to be caused by thickness reduction of the tube wall due to flow-accelerated corrosion. To prevent such failures from happening again, corrective measures were proposed, such as reducing the start/stop frequency of boiler, control the water quality, adopting the low-alloy steel as evaporator material, enlarging the radius of tube bends, raising the working pressure during boiler design to improve the saturation temperature of evaporator, etc.

waste heat boiler; evaporator; tube burst; flow-accelerated corrosion

2016-07-27；

2016-08-24

張 堯(1985—)，男，工程師，長期從事余熱鍋爐產品的研發與設計工作。E-mail: 261334369@qq.com

TK227

A

1671-086X(2017)03-0219-04