供熱鍋爐蒸汽管網安全運行分析與實證研究

康在龍，單晶晶

（1.青島能源集團有限公司，山東青島 266071；2.青島恒源熱電有限公司，山東青島 266510）

0 引言

2016 年8 月11 日，湖北當陽馬店矸石發電公司熱電聯產項目在試運行階段，因2#鍋爐高壓主蒸汽管道上的“一體焊接長徑噴嘴”焊縫裂爆，導致高壓主蒸汽管道斷裂，發生重大蒸汽管道爆管，事故造成22 人死亡，4 人重傷。2017 年12 月23日，嘉興市富欣熱電公司鍋爐操作不當發生蒸汽管道爆裂，主廠房1#鍋爐主蒸汽管道至減溫減壓站支管處發生爆裂，事故造成5 人死亡，另有4 人受傷。兩起事故分別為近年來國內傷亡人數較多的特種設備作業爆管事故，給人民群眾的生命、財產造成了重大損失。隨著煤改氣技術在熱電聯產領域內的創新性推廣，新一輪的改造鍋爐數量會不斷增加，高指標參數的蒸汽管道應用也越來越廣，其在生產、制造過程中的作業規范也備受關注和重視。

1 國內熱電廠鍋爐蒸汽管道事故概況

1.1 鍋爐蒸汽管道爆管事故主要原因

從上述爆管事故視角來分析，在鍋爐安全事故中蒸汽管網爆管的危害性較為嚴重。查閱1992—2018 年國內外鍋爐爆管事故案例，對爆管原因進行多元歸類、匯總和分析（圖1）。

本次統計源選取案例數據資料有限，所做的統計分析帶有一定片面性，但對現實工作指導具有較強借鑒意義。從圖1 可以看出，管道焊接及熱處理因素是導致蒸汽管網爆管的首要影響因子，其次為材料因素，再次為超服務年限，上述3 個因素占到爆管比例的75%以上。

圖1 鍋爐蒸汽管網爆管主要原因分析

1.2 近年來國內鍋爐蒸汽管道爆管的共性問題

（1）蒸汽管道爆管事故根源多發生在生產制造階段，尤其是在設計、制造和安裝環節。以2015 年以來鍋爐蒸汽管道爆管發生的兩起重大事故為例，進行分析。

當陽馬店矸石發電公司熱電聯產項目事故的直接原因：2#鍋爐高壓主蒸汽管道上安裝的噴嘴屬于劣質產品，質量嚴重不合格，高溫高壓下導致焊縫出現擴展性開裂，高溫高壓蒸汽井噴式泄漏，造成事故隱患。事故原因：首先是采購、供應的事故噴嘴屬于偽劣產品，質量極其差，嚴重不合格，不符合規范要求；其次是企業應急處置能力較差，事故隱患形成時，企業相關人員未及時預警并迅速采取有效措施，消除隱患；其次是生產廠房設計不合理規范要求，間隔距離遠低于標準要求，且未對集控室采取一級防護措施；最后是主蒸汽管道監控、檢測和檢修不到位，未按照標準規范要求來組織開展，監管不到位，管理失衡。

嘉興富欣熱電公司發生蒸汽管道爆裂事故，高溫高壓蒸汽沖擊控制室，造成5 人死亡。根據熱力管線設計規范要求，高溫高壓蒸汽管道材料應為事故原因分析按照設計要求，而事故管段材料應為耐高溫持久強度的12Cr1-2MoVG 合金鋼，使用溫度高達580 ℃，設計溫度為540 ℃。對事故現場的管道爆裂出斷裂破片進行材料檢測，事故所用的管道材料耐溫僅為420 ℃，遠未達到設計規范的基本要求。

（2）絕大多數高溫高壓蒸汽管道爆管事故發生在集控室周圍。高溫高壓的蒸汽爆裂后形成巨大的沖擊波，爆裂集控室，導致墻體、玻璃、融化及坍塌，造成集控室內的運行人員重大傷亡。從這個角度去分析，集控室的設計存在3 個基本缺陷：①安全距離不符合規范要求；②未對集控室進行一級防護，具備基本的抗高壓、抗高溫和抗沖擊；③集控室要具備基本的防火、防爆功能。

2 主蒸汽管道安全管理方面存在的問題

隨著熱電鍋爐的高參數、高指標、高壓力，蒸汽管道從低參數值迅速過度到高參數值，尤其是出現累計運行時間大于15 萬小時的“超齡服役”的老城區蒸汽管道，此部分在生產運行過程中存在的安全管理問題日漸突出。

2.1 標準規范在設計方面缺乏針對性的指導

（1）當前對主蒸汽管道與建筑物的設置暫無強制性明文規定，建議“管道應架空，沿墻或柱敷設”。有關管道與建筑物之間距離的規定，主要是為了方便操作和維護并注意節省空間，不涉及管道爆炸的危害控制。根據對當地火電企業的調查，在控制室周圍布置主蒸汽管是常見現象，汽輪機正對控制室門窗，間距基本為5～6 m。主蒸汽管道通過門窗的情況也很常見。類似情況在我國其他火電企業中也很常見。

（2）我國現行建筑規范只涉及消防設計規范，暫無明文的建筑結構國家防爆防火標準。目前，只有2009 年頒布的《石油化工控制室防爆設計規范》要求對石油化工控制室進行防爆設計，適合新建石油化工控制室的防爆設計，其他建筑結構未提供相應的國家防爆標準。

2.2 管理空白

大部分火電廠在金屬監督管理方面存在空白，雖然金屬監督管理受到火電公司的高度重視，《鍋爐定期檢查規程》也提出了《金屬技術監督系統檢查》。不過，火電公司金屬監管管理的實施并不理想，大多數發電企業并沒有建立金屬監管制度，也沒有金屬監管人員。

2.3 目錄存在盲點

《特種設備目錄》主蒸汽管道監督實施過程中存在盲點。自中國實現了特種設備目錄管理，這意味著對目錄中所列的設備不像特種設備的監督，從而導致盲點在主蒸汽管道的安全監察，如蒸汽流量計和其他組件不列入特種設備目錄。由于在制造過程中缺乏相應的監督，元器件的質量無法得到有效保證，存在安全隱患。

2.4 規范要求缺乏

對主蒸汽管道的定期檢查是困難的。主蒸汽管廣泛用于火力發電機組主蒸汽管的切換。但長期運行后，導致閥無法關閉，存在交流氣體問題。單臺鍋爐停機冷卻后，鍋爐主蒸汽管溫度仍在70 ℃以上，致使大部分檢查項目無法正常運行。此外，主蒸汽管道作為主管道，累計運行時間最長，存在著較大的安全隱患。但是，除非機組全部關閉，否則當前的技術發展水平遠達不到檢測檢修基本條件。

3 實證分析研究

某電廠因焊接質量不佳使其熱影響區產生延遲裂紋，從而在服役過程中發生開裂。管件沒有變形和脹粗，多數與彎頭主管銜接口的絎縫焊接會發生爆裂。外表面、內表面的裂紋分別長約220 mm、320 mm，但與外表面裂紋相比，內表面裂紋更粗更長。宏觀檢查的結果表明，蒸汽管道內側面的裂紋較粗、深，且裂紋多數源自于焊縫的底部深處，尤其是隨著運行年限及氣溫、環境等外部條件的影響，縫隙逐漸開始擴散。

檢查結果表明，該裂紋位于焊接接頭熱影響區，沿熱影響區細晶組織和彎頭母材粗晶組織的交界面擴展，裂紋呈斷續狀，該裂紋具有焊接延遲裂紋的特征。由于細晶組織和粗晶組織的晶粒度反差巨大，這兩種組織的結合面成為焊接接頭的薄弱環節。如果焊接質量不佳、存在較大的殘余應力，則在該部位會存在較大的應力集中并產生裂紋。

可采取的措施有焊后回火處理。焊縫出現裂紋時，相關焊工不得盲目、擅自進行作業處理，首先應該向技術總管進行匯報，深入剖析原因，以免隱患被局部掩蓋、釀造更大的事故，制定修復措施及可行性方案。另外，焊工技術人員應嚴格按照焊接作業規程及工藝進行操作，如及時清理焊接現場殘留的碎屑及氧化鐵等雜質。

4 總結建議與展望

4.1 嚴控設計質量

良好的設計是保證工程安全的基礎，尤其對于高溫高壓管道要嚴格執行設計規范的相關規定，選擇準確的設計參數，在此基礎上做好管材的選擇、管道的布置、管道應力計算、支吊架的設置等相關工作。鍋爐蒸汽管道設計標準和規范應提高防爆的要求，無論鍋爐房設計的代碼參數GB 50041—2020《鍋爐房設計規范》或GB 50016—2014《建筑防火設計規范》，高參數蒸汽管的設計要求應有所改善，尤其是在控制和防爆炸方面的距離。設計過程中的防控措施應該從以下3 個方面進行：降低柱塞流和水錘現象的發生，增加了Anti-destructive 系統的能力和開展協作優化設計方案的蒸汽和冷凝管網絡的設計管理，特別涉及流程系統，管道材料和壓力，管道、結構、設計管理及其他專業的設計單位。

以華北院的設計為例，高溫高壓管道采用CAESARII、GLIF、PIPENET 等業內認可的應力計算工具進行靜態和動態應力校驗，從而能夠做出準確的應力分析，保證管道的受力安全。同時采用三維設計，做好管道和支吊架的布置工作，在設計階段及早的發現碰撞，減少現場可能出現的修改。

4.2 保證材料質量

高溫高壓管道工作參數較高，對管材及管件的質量要求就比較嚴格。如果管材及管件在廠家生產過程中有紕漏，管材及管件出現沙眼、熱處理不當等缺陷后，就會導致材料應力不合格，從而容易引起事故。所以管材及管件質量必須控制，以保證材料性能。

應根據沖擊波負荷度，對蒸汽管道材料和抗壓度進行選擇。同時，據此計算管道材料的硬度和剛度，來確定管道直徑及壁厚。雙相對流的蒸汽管道不應選擇鑄鐵材料，因起抗沖擊負荷力差，建議優先選用抗壓、抗沖擊性能好的閥門器材。

4.3 保證現場施工質量

施工質量是保證整個工程質量的重要環節，對于高溫高壓管道，首先在現場要做好管材的檢驗，對現場到貨的所有管材及管件均應在施工前做好質量檢驗。現場的焊接質量直接決定高溫高壓管道的安全，高溫高壓管道的每一道焊縫必須做好檢驗。同時在施工中要注意與設計圖紙的一致性，保證施工質量。

4.4 加強運行監測

（1）高度重視金屬類技術檢測及監督工作。建立健全金屬類檢測監督評估機制，熱電聯產企業應參照國家發電廠金屬類檢測監督技術標準，建立一套適合企業內部的檢測監督體系，來規范和監督所在企業甄選金屬類材料產品。使金屬監督人員，以保證金屬類檢測評估的有效實施，并建立健全金屬類檢測檢驗評估臺賬和規范化體系。管道檢驗檢測機構必須根據技術監督規范標準，在檢測過程中對企業的金屬技術使用情況進行督查和監管，并出具規范的整治要求。

（2）規范管線設計。良好的設計和施工都是為運行服務，反過來，運行過程中必須按照設計參數的要求來運行，在運行過程中必須加強監測，避免超溫超壓運行，定期要做好金屬和焊縫以及支吊架的監測工作，對于異常現象做到早發現、早處理，杜絕一切可能的隱患。

4.5 進一步加強主蒸汽管道的安裝質量把控

（1）履行企業的主要責任，加強自購件的驗收，特別是流量計等不包括在監督范圍內的管道部件。用戶單位應對管道材料的真實性、一致性和所取得的材料質量證書負責，并注意合金材料的復檢。

（2）安裝、變換及維護單元為了確保安裝品質，必須嚴格實施與品質保證系統相關的規格和規格要求，注意材料和焊接。管道材料將根據相關規定進行檢查并接受。資材的保管和使用的管理系統，為了資材管理必須確立。合金材料在切割之前需要標記并轉印。焊接必須嚴格按照規格及規格要求進行。焊工的焊接能力和水平可以評估在焊接之前，和焊后熱處理的監督管理、檢驗和檢測的焊接接頭、銜接口應當技術化、專業化加強，以確保相關工作有序進行。未進行水壓試驗的高溫高壓蒸汽管線，則應在運行前根據標準和規范進行水壓試驗。

（3）監督檢查過程中，監管機構應嚴格執行標準和有關規定，加強現場監督檢查，注意過程監督，不斷優化和完善監督檢查工作，根據施工現場實際情況，完善監督檢查流程。及時、動態調整。從質量取樣的角度來看，應重視包括母材和焊縫在內的焊接接頭的光譜分析，主要對管件的焊接接頭進行檢測，特別是現場焊管接頭。焊縫的無損檢驗和X 射線膠片的隨機檢驗要有針對性。取樣底片必須盡可能覆蓋所有類型的管道和所有的焊縫。請注意非液壓試驗管段的焊接質量，檢查豁免條件是否符合要求。注意熱處理現場測試，確認熱處理設備及工藝實施是否符合要求，加強熱處理后的硬度測試。從系統測試的角度來看，必須注意相關系統文件的及時性，特別是與流程文件相關的記錄。通過現場驗證和質量驗證的抽查，檢查工藝文件的合理性和執行情況。為保證有關記錄的真實性、有效性，企業相關技術人員應及時進行現場稽查和檢驗檢測，并進行現場評估。

（4）蒸汽供熱管網應更加注重施工安裝、運營控制、監管維護等方面，將安全生產列為頭等大事。尤其是在區域集中供熱規劃設計階段，務必要通盤考慮，避免出現管道側壓驟集增壓或集中爆點等不利因素。

通過對蒸汽管網安全隱患的分析，可以創新性提出，提前在管壓驟升前增加壓力釋放設備裝置，以保證管道壓力的平衡。諸多生產運行實踐證明，這是開發區域供熱管網運行的一種有效措施。因此，建議相關熱力企業可將其運用至高溫高壓蒸汽管網布局中。