某廠MS109FA 燃氣輪機性能加熱器內漏淺析

劉 保

（福建晉江天然氣發電有限公司，福建泉州 362251）

0 引言

某廠裝有美國GE 公司MS109FA 燃氣-蒸汽單軸聯合循環機組，其前置模塊由大連派思燃氣系統有限公司提供的慣性凝聚式絕對分離器、管殼式性能加熱器、旋風分離器以及電加熱器等設備組成。機組于2009 年商業運行，運行有十年有余，近期性能加熱器出現了內漏，管程的高溫高壓介質通過管殼泄漏點進入了天然氣側殼程，造成天然氣溫度下降，導致機組負荷下降事件。

1 事件背景

2019 年12 月31 日，某廠4#機DCS（集散控制系統）報“性能加熱器外殼水位高”信號報警，檢查性能加熱器液位磁翻板顯示為零，后DCS 又報“性能加熱器外殼水位高高”信號報警，性能加熱器自動退出運行，天然氣溫度降至139 ℃，機組負荷受限，熱控人員將水位高高信號強制為零，手動投入性能加熱器，并每2 h 進行手動疏水一次，天然氣溫度恢復正常，機組負荷受限釋放。

機組停運后啟動鍋爐中壓給水泵，保持性能加熱器水側壓力5.3 MPa，對性能加熱器氣側進行排水檢查，有少許水流出后恢復正常；停運鍋爐中壓給水泵，打開性能加熱器水側排空閥，用危險氣體檢測儀檢測排空管口危險氣體，危險氣體檢測儀顯示達100%LEL（可燃氣體爆炸下限），確定為性能加熱器內漏造成；次日性能加熱器運行發現疏水袋內液位高信號出現由5 h縮短至2 h，判斷漏點有變大趨勢。

2 性能加熱器內部結構

性能加熱器為管殼式換熱器，其中管程為液體介質，殼程為氣體介質。兩端半球形封帽分別用40 顆M36×360 mm 螺栓鎖緊，管程采用579 根Φ19 mm×2 mm、L=7400 mm 的換熱管連通，換熱管的材質為20G 無縫鋼管，并采用強度焊加貼脹的連接方式固定在管板上（圖1）。換熱管內設計壓力7.6 MPa，換熱管外與性能加熱器容器間設計壓力4.14 MPa，性能加熱器容量按110%配置設計。

圖1 換熱管與管板連接

3 性能加熱器漏點處理

3.1 打壓查漏

將性能加熱器兩端半球形封帽拆除，在殼程用氣體打壓到設計壓力4.14 MPa，用泡沫水封住每一根換熱管的端口，檢查換熱管的泄漏情況；發現漏點在性能加熱器端面中部的換熱管且離管口約15 mm 位置，泄漏點為長3 mm 的縱向裂紋狀（圖2）。

圖2 性能加熱器換熱管漏點

3.2 換熱管堵漏

用直徑為15 mm 的低碳鋼圓鋼切成兩個約30 mm 的堵頭，將堵頭的一端打磨長度5 mm 的45°坡口，分別放入打磨后的換熱管內，用氬弧焊進行封堵，在換熱器殼程充入氣體并打壓到設計壓4.14 MPa，立即進行保壓試驗12 h，未見封堵的換熱管泄漏。

4 性能加熱器漏點分析

4.1 換熱管檢查

用高壓水槍將所有的換熱管內壁氧化層除去，發現換熱管的腐蝕現象較為嚴重，尤其在泄漏點的周圍，腐蝕深度超過1 mm，運行時無法承受工作壓力，在最薄弱部位產生了裂紋。隨機抽取性能加熱器管板上、中、下部的換熱管，檢查發現上、下部分的換熱管均有不同程度的腐蝕且腐蝕深度超過0.3 mm，中間部位的換熱管腐蝕程度比較嚴重，尤其在與性能加熱器端蓋進出口管水平位置的換熱管腐蝕深度均超過0.5 mm，此處的換熱管在運行中承受系統壓力均有產生裂紋或砂眼的可能性，再次導致性能加熱器內漏現象發生。

4.2 換熱管腐蝕機理

性能加熱器換熱管材料是20G 優質碳素結構鋼，其主要用于鍋爐再熱器、水冷壁、省煤器等，含碳量為0.16%～0.24%，抗拉強度為410 MPa，屈服點為230 MPa，長期使用時最高溫度應＜450 ℃；機組運行期間換熱管內壁充滿鍋爐給水，水的品質呈弱堿性，換熱管內壁會出現一層致密氧化膜，減慢腐蝕速率；但結合現場的實際情況，某廠運行方式為晝起夜停式，加之近兩年機組在網小時數從3000 h 驟降至1500 h，性能加熱器連續運行時間縮短，冷態啟動頻率增加，導致換熱管腐蝕速率提高，壽命降低。

從性能加熱器結構分析，其進出水管均接在半球形端蓋中心，當性能加熱器停運后由于端蓋上的放水閥一直處于關閉狀態，容器內低于進出口管的部分的介質無法放出，導致低于性能加熱器進出口管的換熱管始終置于水中，而高于進出水管口的換熱管會暴露的空氣中，根據鐵在潮濕空氣氧化方程式：4Fe+3O2+2xH2O=2Fe2O3·xH2O 得出，在水和空氣相鄰部位的換熱管內壁氧化過程速度較快。

由于機組頻繁冷態啟動，停運時間又較長，性能加熱器水側壓力往復建立速率大幅度升高，加速了換熱管內壁氧化膜的脫落，導致新的氧化發生。當換熱管壁厚小于最小安全壁厚時，其材料的力學性能無法滿足系統需求，導致換熱管形成漏點，且腐蝕導致的漏點主要以裂紋形式存在，裂紋一旦形成其劣化速率非常快，導致性能加熱器退出運行，甚至導致機組跳閘。

5 防范措施

5.1 加強保養

當機組計劃長期停運時，性能加熱器退出運行后，必須在水溫＞100 ℃時進行放水操作，并及時打開排空閥進行通風干燥，減少換熱管在潮濕環境中時間，從而降低腐蝕速率。

5.2 防腐處理

在機組大修期間可以對性能加熱器換熱管內壁徹底清理，并進行鍍鋅處理或者進行其他工藝防腐處理等，減小換熱管內壁與潮濕環境的接觸面積，從而降低腐蝕速率。

5.3 改善運行方式

兩班制運行時，性能加熱器退出運行后，及時關閉水側排空閥，保證性能加熱器內部充滿水或者水蒸汽，盡可能減少換熱管內壁與空氣的接觸時間，從而降低腐蝕速率。

6 結論

某廠S109FA 燃氣機組性能加熱器出現換熱管內漏現象，主要是性能加熱器管板中間部位的換熱管腐蝕嚴重，換熱管的力學性能無法滿足系統需求，在工作壓力下換熱管失效，導致形成泄漏點，而上部及下部換熱管也有輕微腐蝕；燃氣機組的性能加熱器已運行8 年時間，建議安排對換熱管進行全面檢查，尤其是換熱管采用20G 優質碳素鋼的性能加熱器，防止出現跳機或緊急降負荷工況。