燃煤鍋爐水冷壁管爆管原因分析和對策

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(中國石油 蘭州石化分公司， 甘肅 蘭州 730060)

某石化公司動力裝置共有3臺DG145/10.5-1單鍋筒高壓自然循環燃煤鍋爐，采用直吹式送粉系統和四角切向燃燒方式向電站供應10 MPa(G)、500 ℃的過熱蒸汽。2017-09-26燃煤鍋爐發生水冷壁爆管并造成停爐，檢查發現1#鍋爐爐膛南墻1根冷壁管爆裂出1個孔洞。2017-10-25該燃煤鍋爐再次發生水冷壁爆管停爐故障，經排查發現27根水冷壁管共有88處漏點，爆口形貌與前次相同。

故障發生后，對282根水冷壁管進行全面檢查，發現46根水冷壁管有局部變形。對爆裂、穿孔和變形的水冷壁管全部予以了更換并重新投入運行。2017-11-15部分換新水冷壁管的燃煤鍋爐又因爆管停爐，發現爐膛南墻已更換水冷壁管上方約600 mm處1根未更換水冷壁管爆開1個孔洞，形貌與前兩次的一致。燃煤鍋爐南北墻大面積水冷壁管爆管在鍋爐運行實踐中較為罕見。文中對該燃煤鍋爐水冷壁管爆管泄漏的原因和需要采取的針對性措施展開探討。

1 水冷壁管宏觀檢查

水冷壁管爆管宏觀形貌見圖1。水冷壁高溫區上、中、下各段管均有多處爆管和局部鼓包，內外壁表面均存在氧化腐蝕，外壁表面呈紅色，中段氧化更為嚴重。

圖1 水冷壁管爆管宏觀形貌

2 水冷壁管檢驗檢測分析

2.1 取樣

截取水冷壁高溫區中段? 60 mm×5 mm×500 mm的失效水冷壁管共5根，作進一步的檢驗分析。為查明水冷壁管不同失效形貌、水與材質變異和腐蝕產物的關系，分別在水冷壁爆管孔洞處和鼓包處取樣進行材料化學成分、金相組織和腐蝕產物能譜分析，爆管孔洞處取樣位置見圖2，鼓包處取樣位置見圖3。

圖2 水冷壁管爆管孔洞取樣位置

圖3 水冷壁管鼓包取樣位置

2.2 化學成分分析

燃煤鍋爐水冷壁管采用20G鋼材制造。對損傷的水冷壁管樣品進行化學成分分析，分析檢測數據與標準規定指標值見表1。

表1 水冷壁管化學成分分析(質量分數)

從表1可以知道，水冷壁管材質化學成分滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[1]中對20G鋼材的化學成分要求。表1中樣品檢測數據均為6點分析平均值。

2.3 力學性能分析

采用GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[2]方法，對燃煤鍋爐水冷壁高溫區上、中、下3段爐管樣品作拉伸試驗，向火面和背火面的力學性能測試結果見表2。

表2 水冷壁管力學性能試驗結果

對比GB/T 5310—2017中規定的20G力學性能指標可以知道，爐管樣品向火面的強度和韌性嚴重降低。

2.4 金相組織分析

對位于燃煤鍋爐水冷壁高溫區上、中、下3段的爆裂壁管試樣進行初步金相組織分析，在向火面徑向截面觀察到微裂紋。進一步的金相組織分析表明，上、中、下3段水冷壁管內部微裂紋和母材金相組織基本一致。

中段水冷壁管裂紋形貌和組織見圖4～圖5。依據圖4～圖5的金相組織圖和DL/T 674—1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》[3]綜合判斷，高溫區各管段樣品向火面材料的球化級別為4級中度球化。

2.5 掃描電鏡分析

對燃煤鍋爐爆裂水冷壁管原始斷口進行掃描電鏡分析，發現內、外壁及斷口表面均存在腐蝕現象，樣品掃描電鏡分析形貌見圖6。

圖4 中段水冷壁向火面徑向截面微裂紋形貌

圖5 中段水冷壁壁管母材金相組織(400×)

圖6 水冷壁管斷口掃描電鏡分析形貌

分析圖6可以知道，裂紋由內向外擴展，近外壁的裂紋擴展區存在準解理、沿晶及韌窩形貌，屬于混合型斷裂。

2.6 爐管結垢檢測

2.6.1結垢數量

檢查燃煤鍋爐水冷壁爐可觀察到結垢現象，而且爐管向火面的結垢量遠超爐管背火面的結垢量，火焰中心高度17.5 m位置以上區域向火面結垢傾向嚴重。依據DL/T 794—2012《火力發電廠鍋爐化學清洗導則》[4]，主蒸汽壓力為5.9～12.6 MPa時水冷壁結垢量大于400 g/m2應進行化學清洗。從爐膛北墻自西向東第34根爐管不同標高位置取樣，采用酸洗法測定結垢數量，結果見表3。

表3 爐膛北墻自西向東第34根爐管結垢量

由表3可知，樣管向火面的結垢數量均超過標準要求，需要進行清洗。

樣管壁內在清洗前后的形貌見圖7。值得注意的是，水管內壁原有結垢層在爆管前由于水質原因出現大面積的脫落，這導致試驗測定的結垢量可能比實際情況偏小。

2.6.2垢層組成

對燃煤鍋爐水冷壁管剝落的結垢層采用掃描電子顯微鏡進行分析，得到的剝落爐管內壁垢層截面見圖8。

圖7 爆裂水冷璧管清洗前后內壁形貌

圖8 剝落垢層截面掃描電鏡圖

從剝落垢層截面掃描電鏡圖可看出色澤明暗差別，可見內壁垢層大致分為4層。

用EDAX能譜分析儀對圖8中譜圖1～譜圖8標記的8個位置進行能譜分析，得到的垢層元素組成分析結果見表4。

由表4可知，剝落結垢層的主要成分為Fe的氧化物，還有Na、Al、Cu及P、S等元素。結合刮取的水冷壁管內壁垢層化學成分分析結果可以判斷，爐管結垢傾向嚴重是燃爐鍋爐水質控制不合理所致[5-6]。

表4 水冷壁管剝落垢層能譜分析結果(質量分數) %

3 水冷壁管爆管原因分析與處理措施

3.1 原因分析

結合現場檢查檢修情況、樣品的宏觀檢查、微觀檢測檢驗及燃煤鍋爐的運行情況，分析水冷壁管爆裂原因。主要包括，①水冷壁管向火面管內結垢嚴重。水冷壁管尤其是主火焰區的高溫管段冷卻效果長期不佳，導致水冷壁向火面爐管過熱并發生嚴重球化現象，水冷壁管強度和韌性大幅下降，成為導致壁管大面積爆裂的直接原因[7-18]。②未利用檢修定期切割爐管取樣分析，也未根據爐管結垢分析安排鍋爐爐管清洗，鍋爐水質控制不佳[17-18]。③鍋爐定期排放操作不當，致使水循環倍率超出高壓鍋爐安全運行的10～12的自然循環倍率，導致水冷壁管冷卻效果惡化，爐管過熱爆裂[6，19]。④爐膛火焰中心偏移，南北墻水冷壁火焰有貼墻現象，水冷壁局部過熱現象嚴重[7-8]。由于爐膛截面為正方形爐體，偏燒現象的存在說明與配風調節、鍋爐負荷變動以及燃燒不均勻等有很大關系。⑤未徹底處理事故埋下的隱患。2017-09-26爐管大孔洞爆裂，在鍋爐故障緊急停爐過程中，大量水冷壁管內鍋爐水噴出，加劇爐膛極速降溫，同時鍋爐水噴到其它水冷壁管上，造成壁管的急劇冷卻，致使壁管局部收縮嚴重，產生較大熱應力。

3.2 處理措施

根據燃煤鍋爐水冷壁管爆裂的檢驗檢測分析和原因分析，制定的處理措施主要包括，①嚴格控制水質。根據水質分析合理排污[6]，尤其是在實施定期排污操作時，要將開啟閥門的時間控制在30 s以內，切勿超時且關閉后才能再開啟下一個閥門，杜絕多閥門同時開啟排污，以免破壞水循環造成水冷壁管過熱而爆管。②利用鍋爐大修和中修時機定期切割水冷壁管試樣，對試樣進行結垢量分析和預判，當水冷壁結垢量大于400 g/m2時，立即安排進行鍋爐爐管化學清洗[4]。③正常運行中，確保鍋爐負荷超過70%，避免低負荷長時間運行。當水質發生異常或突變時嚴格控制鍋爐排污，尤其要注意對定期排放的調整，以避免開啟定期排放置換水質而破壞水循環。④正常運行情況下，合理調節一次、二次風量，確保鍋爐火焰無偏燒。同時定期進行鍋爐燃燒工況的熱態調試，調整火焰四角切圓燃燒。避免發生火焰偏移沖刷水冷壁管，造成水冷壁管長期處于過熱狀態[5]。

4 結語

通過對故障燃煤鍋爐水冷壁管爆管情況的介紹和分析，探討了水冷壁管爆裂的深層原因，制定了針對性處理措施，利用檢修對鍋爐進行相關的檢驗檢測并對爐管進行更換，提出了優化燃煤鍋爐運行的管控方案。截至2019-01,修復的燃煤鍋爐及其他2臺同型號鍋爐運行良好，未再次發生類似壁管爆裂故障。