循環流化床鍋爐下渣管技術改進

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(神華寧夏煤業集團 煤制油化工安裝檢修分公司， 寧夏 銀川 750411)

神華寧煤烯烴分公司2套50萬t/a甲醇制丙烯裝置，與其配套的動力裝置為4臺循環流化床鍋爐(3開1備)。此裝置于2013-05投入運行，2015-11～2016-01，4臺鍋爐運行過程中均出現了下渣管斷裂現象，嚴重影響鍋爐正常運行，導致鍋爐非計劃停爐，造成了一定的經濟損失，文中對此進行了詳細分析，并提出了改進措施。

1 循環流化床鍋爐簡介

循環流化床鍋爐近十幾年得以迅速發展，歸因于高效低污染清潔燃燒技術，該技術使其具有燃料適應性廣、燃燒效率高、排出的灰渣活性好及負荷調節范圍大等顯著優點[1]。烯烴分公司4臺循環流化床鍋爐主要為煤制油化工甲醇制丙烯裝置和其它公用設施裝置提供熱能和電能，滿足用熱用電需求，屬煤化工項目的自備動力站，以自發自用為主，保證全廠裝置的用汽量。

鍋爐系統主要由膜式水冷壁爐膛、旋風分離器、尾部豎井(HRA)、空氣預熱器、過熱器、省煤器以及下降管等組成[1-3]。在爐膛下部布風板上設置有4個固定式排渣口，排渣口與冷渣機之間連接的管子與膨脹節組件稱為下渣管，材質為316鑄件，規格(外徑×厚度)?219 mm×12 mm。循環流化床鍋爐系統結構見圖1，其中的虛線部分為下渣管組合件(簡稱下渣管)。

圖1 循環流化床鍋爐系統結構圖

2 下渣管斷裂原因分析

4臺鍋爐下渣管均存在燒紅、斷裂及噴渣現象。經過有關人員的調查可知，下渣管長期在高溫狀態下工作，材質容易發生蠕變，加之受熱應力作用發生疲勞損壞，最終導致下渣管斷裂，產生噴渣。造成下渣管斷裂主要有3個因素，分述如下。

2.1 材質不合理

(1)下渣管的各個零件材質為耐高溫1 000 ℃的316鑄件，在800 ℃高溫下強度下降較為明顯，且鑄造鋼管存在氣孔、夾渣等缺陷，在高溫蠕變力的作用下易產生應力集中，容易形成裂紋[4]。

(2)鑄造管的含碳量較高，因此其塑性差，且含有錳、磷、硫等有害元素，導致下渣管的焊接性能較差。且下渣管為多段管段焊接而成，在焊接過程中焊縫容易出現氣孔、夾渣等缺陷[4-6]。

2.2 結構不合理

在鍋爐運行過程中，下渣管彎頭處頻繁泄漏，采取在彎頭處加裝澆注料胎具的措施進行了及時修復。澆注料胎具使得彎頭處質量增大，同時也加大了管線下垂應力，在此下垂應力作用下，下渣管部件的焊縫處產生拉裂，最終導致了斷裂。

在原結構中，下渣管與爐膛底部焊接相接，前部分管段與水平方向成大約60°角向下，后部分管段為垂直向下，中間有彎頭連接，后部分管段中設計有膨脹節，膨脹節下端與冷渣機之間采用漏斗形式相連接，見圖2。

圖2 原結構中下渣管結構示圖

當鍋爐運行排渣時，為了降低含塵量，采取了噴水措施，爐渣的體積因而變大，在漏斗處容易產生爐渣堆積現象。而且下渣管因排渣發生膨脹，也因爐渣溫度較高而自身受熱產生三維膨脹[7]。在爐渣堆積過多的情況下膨脹位移受阻，膨脹位移產生的力無法得到釋放，作用在下渣管上使得下渣管在應力集中的部位發生斷裂，進而造成爐膛內的高溫爐渣泄漏而出。

2.3 膨脹節選型不合理

膨脹節設置在下渣管中間部位，具有補償管道軸向、徑向和三維方向位移量并保持管道密封性作用。當高溫爐渣被輸送到下渣管時，下渣管因熱傳導溫度升高，長度因熱脹冷縮而變化，膨脹節可為這些變化提供補償[8]。否則，產生的力不僅會損壞下渣管，也會通過管道系統將力作用在鍋爐上，對鍋爐的完好性產生破壞。

膨脹節材質為316，規格(外徑×厚度×長度)為?294 mm×20 mm×800 mm，在工作溫度超過800 ℃時，許用應力持續降低[4]，而鍋爐爐渣溫度約為800 ℃。通過分析下渣管膨脹量，得出爐渣實際軸向膨脹量在270～350 mm，徑向伸縮量在100～130 mm，而原膨脹節軸向補償能力為300 mm，徑向補償能力為120 mm。因此，膨脹節的材質和規格均不符合生產要求。

3 下渣管技術改造

3.1 下渣管材料

選用310S不銹鋼熱軋鋼管作為下渣管材質，其使用溫度1 200 ℃，且在高溫下比316不銹鋼強度更好[9-11]。

熱軋鋼具有細化鋼材的晶粒、消除顯微組織缺陷、鋼材組織密實、力學性能得到改善以及加大了鋼材的許用應力等顯著特點[4]。相較于鑄造鋼管，澆注時形成的氣泡、裂紋及疏松的小缺陷可在高溫和壓力作用下被焊合，也使鋼材的力學性能得到提高，從而減少斷裂現象發生的可能性[12]。

3.2 下渣管結構

將位于下渣管下方的漏斗切除，改為直管以減少下渣管因爐渣導致堵塞的可能。

采用焊接方式將下渣管與冷渣機入口管相連，減少灰渣對下渣管的摩擦損耗，提高下渣管的使用壽命，見圖3。

圖3 改造后下渣管結構圖

3.3 優化膨脹節選型[13-15]

膨脹節屬于撓性結構，是一種能夠自由伸縮的補償性元件，一般設置在容器殼體或管道上，可以補償因溫度差等原因造成的尺寸變化，目前廣泛用于化工、冶金等行業。

鍋爐下渣管原膨脹節采用波紋管膨脹節，能夠沿管道軸線方向伸縮，也能允許徑向方向少量伸縮，主要是補償軸向位移量，但軸向補償能力不足。選擇了使用溫度為1 200 ℃的310S不銹鋼膨脹節,其軸向補償能力為350 mm，徑向補償能力為150 mm，總長900 mm。

4 結語

從解決實際問題出發，解決了鍋爐下渣管頻繁斷裂這一難題，完成了對下渣管的技改工作。烯烴分公司2套裝置的4臺鍋爐原下渣管運行周期為6個月，經2016年技改后，至今再未發生斷裂現象，由此驗證了此次下渣管斷裂原因分析的正確性和技改措施的可靠性。