火電廠鍋爐“四管”泄漏的原因及預防控制措施

陳文衛,胡振輝,俞 玲,曾 璐

(1.湖北能源集團鄂州發電有限公司，湖北 鄂州 436032；2.武漢電力職業技術學院，湖北 武漢 430079)

0 引言

根據相關資料統計，在引起我國大中型火電廠非停的所有事故當中，因鍋爐事故導致的比例占70%左右，而“四管”（過熱器，再熱器，省煤器，水冷壁）泄漏導致機組非停的次數占鍋爐事故的60%～70%左右[1-2]。因此，火電廠鍋爐受熱面泄漏問題已成為威脅發電設備穩定運行和安全生產的重要影響因素，充分了解其產生的原因和掌握控制“四管”泄漏發生的措施顯得極為重要。

1 “四管”泄漏原因分析

通過對火電廠鍋爐受熱面爆管事故類文獻的學習和總結[3-7]，引起“四管”泄漏主要原因有：受熱面超溫、氧化皮的產生與脫落、受熱面的磨損、化學及應力腐蝕等。

1.1 受熱面超溫

超溫對鍋爐“四管”的損傷是不可估量的，其分為長時間超溫和短時間超溫兩種。長時間的超溫會使得受熱面產生高溫蠕變，溫度越高，金屬材料的蠕變速度就越快。長時間超溫的爆口宏觀形態是：爆口不大，呈未張開境像，在其周圍有眾多平行的軸向裂紋，同時爆口表面還會有高溫氧化和脫碳現象，并有氧化皮產生（圖1）。據相關資料統計，再熱器爆管的事故中約有70%是由于長時間超溫產生的[3]。

圖1 長時間超溫爆口Fig.1 Long time overtemperature detonation

短時間的超溫，特別是反復的短時間超溫，極容易使得超溫的管壁處產生應力疲勞，最終導致該處的受熱面發生爆管。短時間超溫的爆口宏觀形態是（圖2）：爆口完全張開，呈撕裂狀，其邊緣變薄且光滑，爆口附近的管子有一定的變粗且其外壁呈藍黑色。

圖2 短時間超溫爆口Fig.2 Short time overtemperature detonation

1.2 氧化皮的產生與脫落

在600 MW和1 000 MW的大中型火電廠的鍋爐中，主再蒸汽溫度很容易達到和超過570℃，這使得氧化皮的生成不可避免（圖3）。根據相關的研究表明，受熱面金屬所處的溫度越高、內部流動工質中氧的成分越高，氧化皮的生成速度就越快。早在1980年代，相關人員就對T91金屬的抗氧化性進行了大量的研究[7]，如圖4所示。

圖3 氧化皮的形狀Fig.3 The shape of the oxide skin

圖4 T 91蒸汽氧化特性曲線Fig.4 The curve of steam oxidation of T 91

氧化皮的脫落主要與其厚度、溫度變化幅度以及速率有關。據相關研究表明，溫度變化幅度越大、變化速度越快、氧化皮越厚，則氧化皮越易剝落[7]。脫落的氧化皮最終會在受熱面管道的U型彎的底部集聚，使得過熱器流通截面變小，最后導致受熱面過熱曝管。

1.3 受熱面磨損

在火電廠鍋爐中，因磨損而造成受熱面泄漏占總體泄漏量的37.5%，是所有因素中最高的[3]。受熱面磨損的爆口宏觀形態（圖5）：爆口邊緣呈不規則形狀且其附近明顯變薄，金屬組織無變化，屬于韌性破裂。容易造成受熱面磨損的因素有：煙氣和飛灰的沖刷磨損、焦塊和結渣的下落磨損、吹灰器的吹掃磨損以及燃燒器的對沖與卷吸磨損。

圖5 磨損爆口Fig.5 The tear attrition

當煙氣通過受熱面時，煙氣中攜帶的各種顆粒將以一定速度沖擊受熱面，造成被沖擊位置磨損減薄，隨著時間的積累，最終破裂。定期吹灰可以避免鍋爐四管受熱面積灰，提高鍋爐換熱效率。但吹灰器運用不當也會導致受熱面磨損或者結焦，最終導致爆管。如吹灰器退出故障，長時間對某處進行吹掃，容易磨損該處受熱面；吹灰器疏水不夠徹底導致含有大量水分的蒸汽沖刷受熱面，使其產生熱應力疲勞，最終曝管；吹灰器布置不當或者遺漏布置，導致某處不能進行正常吹灰，使得該處的積灰和結焦現象越來越嚴重，最終導致曝管。

燃燒器對沖布置的鍋爐，如果配風不合理的話，很容易在燃燒器的附近產生磨損和超溫腐蝕：當一側燃燒器的一次風壓過大時，對沖的煤粉混合物會在碰撞后沖向壓力較低的一面，從而使得煤粉沖刷該處的水冷壁并在其附近燃燒；當一次風壓較低時，對沖后的高溫煙氣會在燃燒器的附近形成一個高溫的卷吸區，最終導致燃燒器的附近的水冷壁因高溫腐蝕而爆管。

1.4 化學及應力腐蝕

根據受熱面的不同位置，化學腐蝕分為內腐蝕和外腐蝕兩種。內腐蝕是指受熱面內壁處的腐蝕，它是由受熱面內部流動工質品質不合格引起的，一般都是由鍋爐給水品質控制不當引起的，其中給水中的含氧量和PH值不合格影響最大。這種爆管處的特征是受熱面內壁有坑坑洼洼、薄厚不均（圖6），最終在腐蝕最厲害處爆口。外腐蝕是指受熱面靠近爐膛側的腐蝕。該側接觸的物質比較復雜，有煙氣、煤粉顆粒、飛灰以及燃煤燃燒后產生的一些硫化物、鐵硫化物、氯化物等等。當一些灰渣或酸堿性物質貼附在受熱面表層后，在高溫的作用下會產生一系列的化學反應，使得金屬表面發生腐蝕而凹凸不平，最后會因受熱不均而產生爆管（圖7）。

圖6 內腐蝕管壁Fig.6 T he corrosion tube wall

圖7 外腐蝕爆口Fig.7 External corrosion detonation

圖8 應力腐蝕爆口Fig.8 The stress corrosion detonation

應力腐蝕是指受熱面材料在特定的環境中反復多次受到拉縮應力作用，最終達到和超過金屬承載能力后而產生的低應力脆性斷裂。產生原因有受熱面處汽溫、煙溫大幅度的快速增降；因風煙控制不當導致受熱面管道的振動等。應力腐蝕曝管處金屬表面大部分未遭破壞，只有細裂紋穿透受熱面管道，多數是沿晶分布，附近受熱面管道的力學性能仍保持完好（圖8）。

2 “四管”泄漏控制措施

2.1 技術方面

1)受熱面超溫控制

運行人員控制方式：機組啟動過程中，特別是干濕態轉換階段，及時地調整燃燒工況、控制給水流量，防止鍋爐在干濕態間頻繁變換；避免出現受熱面壁溫局部過熱，控制好鍋爐的升溫升壓速度，減小各受熱面的溫度梯度，同時控制好水煤比和合理的過熱度；在機組協調模式下要關注燃料、給水的自動配合情況，防止因為跟蹤不及時而出現超溫現象。

維護人員控制方式：完善和優化給水與過熱度、燃料的自動控制系統，使其滿足在各種工況下能夠快速、更好的自動調整；經常校驗和檢測風煙系統相關的測點是否正常，對容易出現故障的氧量、總風量等關鍵測點要及時的進行消缺和優化，令其能夠準確的反應燃燒的實際參數；對鍋爐受熱面有超溫現象的管壁進行跟蹤檢查，排查各個受熱面的溫度測點是否布置齊全和恰當，以便運行人員更好、全面的監視受熱面各處溫度情況；提高整個機組各輔機的自動投入率和優化其調節性能，在最大的程度上防止因人為手動操作不當而使機組參數產生劇烈的波動和停機。

2)氧化皮的控制

“減緩生成、控制剝落、加強檢查、及時清理與換管[7]”是目前對預防和控制氧化皮產生與脫落問題的一個重要技術路線。

運行監視方面的控制措施主要是“減緩生成、控制剝落”，具體手段為：在機組啟停和事故處理中，嚴格按照規程中規定的汽溫、汽壓升降速率進行；在機組啟動過程中要充分發揮冷、熱態沖洗作用，嚴格控制沖洗水品質，在氧化皮產生較多情況下要利用旁路系統的作用進行過熱器、再熱器等受熱面清洗，使得蒸汽段氧化皮被沖洗干凈；在鍋爐燃燒調整時要嚴格控制汽溫、汽壓變化速率，防止發生蒸汽參數反復劇烈變化的工況，特別是在大幅度調峰和事故處理時，更應該注意到這一點。

檢修維護方面的控制措施主要是“加強檢查、及時清理與換管”，具體手段為：對于要停爐3天以上的時間，要做出有針對性的檢查項目。根據蒸汽段溫度的監視情況，對容易超溫的管道和過熱器U型彎頭處進行著重檢查。檢查手段包括拍片檢查受熱面管道內部氧化皮的堆積情況、測量分析氧化皮的厚度、利用內窺鏡查看氧化皮的脫落情況等。對于發現受熱面管道有變色等異常情況時，要及時進行割管檢查并更換。

3)受熱面磨損的控制

嚴格控制煤粉的細度，定期進行煤粉細度的檢測；合理啟動和分配底層、中層及上層磨煤機的運行情況，防止爐膛內火焰中心位置上移；合理布置吹灰器的個數和設置其吹灰蒸汽參數。吹灰區域要能夠完全覆蓋結焦部位，并根據實際結焦部位和程度來增減吹灰器的個數以及調整吹灰曲線、強度（包括時間、流量、壓力）。運行過程中更要確保鍋爐吹灰系統的正常投入，有效清除受熱面結焦；若發現吹灰器投退異常應及時聯系檢修班現場處理。經常出現爐膛結焦和垮焦時，要嚴格遵守吹灰操作規定并根據實際情況適當增加吹灰次數。

根據鍋爐的設計以及燃燒器的特性，通過試驗的方式來合理分配熱一次風、二次風以及三次風的強度，避免燃燒的煤粉被卷吸沖刷燃燒器附近的水冷壁。

4)化學及應力腐蝕控制

內腐蝕的控制，體現在要嚴格控制給水和蒸汽的品質，特別是在鍋爐的啟動過程中，要嚴格進行冷、熱態沖洗；運行過程中，要定期對給水、蒸汽的品質進行監測，發現有不合格的水質和蒸汽時，要及時進行相應的處理；機組停運后要及時進行停爐保養工作。外腐蝕的控制主要體現在：盡量優先采購與鍋爐設計煤種相接近的燃煤，少用含還原性元素較高的煤種；合理控制煤粉的細度；嚴格執行吹灰操作規定。

應力腐蝕的控制措施：運行過程中，注意參數的變化率，嚴禁有超參數、超幅度的調整操作；避免因風煙、飛灰控制不當造成受熱面的機械振動；盡量減少受熱面之間的熱偏差；適當地提高吹灰蒸汽的參數，減小吹灰蒸汽對受熱面的熱沖擊；停爐后及時對受熱面進行外觀檢查，對那些因應力集中而出現疲勞的區域進行整改，以消除隱患。

2.2 管理方面

雖然火電廠鍋爐的“防爆”工作非常難做，但是國內也有一些如華北地區的衡豐、灤河、秦皇島等電廠在這方面做得比較好的廠家。借鑒他們的經驗，總結起來大概有以下幾點：

1）不斷完善的工作制度和標準體系

隨著時代的發展和社會的進步，管理與技術也在不斷地發展和提升，因此每個電廠都應該根據本廠設備的特性不斷地制定、完善、細化相應的制度、標準和生產規程，并且要形成一套完整有效的體系，只有這樣才能使得運行與維護人員有章可循。

2）組建合格的專業隊伍

機組發生“四管”泄漏涉及到金屬材料、化學、熱工等多個專業的知識，更涉及到設計、安裝、運行和維護等多個單位之間的配合問題。“四管”防爆工作不但專業性很強，經驗性也非常強。所以在鍋爐的防爆工作上，應該成立一支專班小組，并形成一整套與本廠相對應的具體做法，然后嚴格地執行。同時，應該固定相關的技術人員，并對其進行相關專業的培訓，使其專業技術和經驗可以在本廠得到傳承。

3）建立和健全設備的技術檔案

即使是同一型號的兩臺鍋爐設備，它們出現的問題也會是不一樣的。因此應該根據每臺鍋爐建立一套完整的“四管”泄漏專項檔案，對于每次出現泄漏的部位、爆口照片、爆口金相分析的結果、爆管的最終原因和防治措施都要有詳細的記錄，對于不明爆管原因的事故，要做到持續跟蹤調查，直至查明原因。

4）發揮主動性，不斷創新工作方式

“四管”防爆工作雖然很難做深、做實、做全，但相關的工作人員應該發揮自己的主動性、不斷地創新工作方式：比如去這方面做得比較好的電廠“取經”，并把學到的東西帶回來，然后加以吸收和轉化并形成一套與自身電廠相結合的“四管”防爆機制；又如，以一群經驗豐富的人員成立一個“四管”防爆小組，并在人員技術培訓和設備治理方面得到管理層的大力支持，最后制定一套詳細、規范的維護檢查規章制度。

3 結語

預防和治理鍋爐“四管”泄漏問題是一個復雜和繁瑣的過程，它的建立和完善需要長時間的努力和不斷地積累。在管理層方面它需要公司各個部門通力協作和大力支持；在技術手段方面，它需要重視人員的培訓和技術的交流；在規章制度方面，需要不斷地完善和細化。只有做到這些，才能夠把“四管”泄漏的問題降到最低程度。

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