鍋爐水冷壁管工裝孔處泄漏原因分析與處理

余增三，王則強

（1.河南省中原大化集團有限責任公司，河南 濮陽 457000；2.鄭州立達電力技術有限公司，河南 鄭州 450000）

1 裝置概況

某公司甲醇項目動力站采用3臺型號為YG-170/9.8-M2的高溫高壓循環流化床蒸汽鍋爐，鍋爐采用單鍋筒橫置式，單爐膛自然循環，全懸吊結構，全“∩”布置。爐膛由膜式水冷壁組成，保證了爐膛的嚴密性。爐膛橫截面為4 511 mm×9 082 mm，爐頂水冷標高36 152.5 mm（水冷中心線標高），膜式水冷壁由Φ60 mm×5 mm（材質20G，GB 5310—1995）鍋爐管和6 mm×20.5 mm扁鋼焊制而成，管節距為80.5 mm；前后墻水冷壁112根，左右側墻水冷壁56根，在爐膛的左右中心線處靠近前部水冷壁設置水冷屏，爐膛水冷壁（屏）通過水冷上集箱（包括水冷屏上集箱）由吊桿懸掛于鋼架頂部的框架上。3臺鍋爐主要向空分廠、甲醇廠和乙二醇廠等分廠提供動力或工藝蒸汽，于2008年投產，至今已運行105 000 h。

2 泄漏發現經過及處理

2022年3月6日，1#鍋爐內煙氣溫度突然降低，汽包水位無法維持，爐膛頂部有異響，工藝值班員判斷爐內發生泄漏，緊急停爐。3月8日檢查爐頂外部，發現泄漏點位于1#鍋爐爐頂第2工裝孔。爐頂膜式水冷壁共設置3處開孔結構，分別位于從左往右數第18～19根、第50～51根、第89～90根，為敘述方便，稱為“工裝孔”，分別標記為第1、2、3工裝孔。

工裝孔由鍋爐制造廠設計安裝，為檢修、爐內升降機平臺吊裝穿吊繩或者傳遞工件時使用，其結構為相鄰2根管對稱向爐外彎曲，在膜式水冷壁上形成一個約180 mm×500 mm的“孔洞”，然后用與“孔洞”形狀高度吻合的密封板與膜式水冷壁鰭片、水冷壁管焊接在一起。此次泄漏發生在爐頂第2工裝孔兩側管處（從左往右數第49、52根）：第49根管泄漏點2處，分別標記為1#和3#，第52根管泄漏點2處，分別標記為2#和4#；第48、53根水冷壁管外壁磨損減薄超標，密封板被泄漏氣流沖刷破損2處（A點和B點），具體見圖1。

圖1 1#鍋爐爐頂泄漏點位圖

由于無工裝孔說明，且以往檢修檢查中多次發現工裝孔密封板炭化開裂，均做補焊和開裂紋止裂孔處理。研究決定修復時取消此處工裝孔（第50、51根），更換磨損減薄超標管（第48、53根）和泄漏管（第49、52根），共計更換6根管（第48、49、50、51、52、53），更換的管全部鰭片雙面滿焊，焊后做無損檢測探傷檢查。另外第2工裝孔水冷壁泄漏原因不明，而生產又急需恢復，為防止其他工裝孔因密封板炭化產生裂紋造成泄漏，預防性對第1和第3工裝孔密封板焊縫進行打磨除銹，滲透探傷檢查，然后分別進行密封板開槽5～6道，并在槽端打止裂孔，爐外密封盒內填充澆注料密封。

3 泄漏點特征及初步分析

為查找泄漏點產生的原因，厘清各個泄漏點之間的相對關系，確定原始泄漏點，對工裝孔密封板和第49、52根管的4處泄漏點進行缺陷檢查和特征判斷。

工裝孔被尺寸為180 mm×500 mm×6 mm的密封板（材質20，與鰭片材質相同）封堵，密封板焊接在水冷壁管上。密封板被泄漏的蒸汽裹挾煙氣擊穿2處（圖1中A點和B點），從密封板磨損擊穿痕跡上可以判斷出氣源和方向：1#泄漏點將密封板A點磨損擊穿，2#泄漏點將密封板B點磨損擊穿。

1#泄漏點位于密封板與水冷壁管迎火側焊接熱影響區根部，沿水冷壁管縱向發展，長度約3 mm，圓周向寬度約1 mm。焊縫泄漏處邊緣顯示蒸汽由里向外泄漏產生的沖蝕坑痕跡明顯，泄漏汽水混合物沿著噴射方向將密封板A點磨損擊穿。剖開檢查1#泄漏點內壁，密封板焊接處長度方向腐蝕結垢較為嚴重，特別是密封板焊接處中部；密封板焊接處迎火側熱影響區根部腐蝕結垢物和裂紋較為明顯，裂紋長度約50 mm；腐蝕結垢物沿焊縫縱向分布，且在裂紋附近腐蝕結垢物分布面積寬大，約70 mm×30 mm。綜合判定1#泄漏點產生的原因是密封板焊接處迎火側熱影響區根部壁厚變化較大，熱交變應力變化大且頻繁，密封板寬大吸熱量大，與水冷壁汽水混合物換熱不及時，造成熱量堆積而局部過熱，易產生微裂紋；水冷壁管內部水質差，高溫區管道內壁易結垢，造成換熱進一步惡化。長期運行，微裂紋擴張形成泄漏點。暫時判定1#泄漏點為原始泄漏點。

3#泄漏點位于密封板與水冷壁管迎火側焊接熱影響區根部上方約6 mm處，呈紡錘形，長×寬為25 mm×6 mm，泄漏點外部磨損減薄明顯，邊沿鋒利外翻，最薄處1.6 mm，壁厚沿泄漏點向四周越來越厚。剖開檢查3#泄漏點內壁，密封板焊接處長度方向腐蝕結垢較為嚴重，特別是密封板焊接處中部；該泄漏點周圍4 mm范圍內無腐蝕結垢物，且露出金屬光澤，未發現肉眼可見裂紋，說明泄漏后內壁變形以及高壓汽水混合物沖出3#泄漏點時將內壁腐蝕結垢物沖掉。綜合判定，3#泄漏點產生的原因是外來物料流沖刷水冷壁外壁減薄產生。

2#泄漏點因外壁被外來物料流沖刷減薄，并且與4#窗口型泄漏點混在一起，不易發現，但是在內壁可以看見泄漏點長約20 mm、寬約3 mm，呈鋸割狀；且與1#泄漏點泄漏氣流路線、方向一致，內壁未見腐蝕結垢物，沿管壁縱向可見大量微裂紋。綜合判定，2#泄漏點產生的原因是外來物料流沖刷水冷壁外壁，磨損形成的鋸割狀溝槽減薄。

4#泄漏點呈窗口形，長×寬為50 mm×150 mm；開口位于密封板與水冷壁管迎火側焊接熱影響區根部，且外壁磨損減薄明顯，最薄處1.8 mm，整個泄漏點邊沿略顯粗糙，壁厚沿迎火側焊接熱影響區根部向另一側越來越厚；其內壁未見大塊腐蝕結垢物，沿管壁四周縱向可見大量微裂紋。綜合判定，4#泄漏點產生的原因是外來物料流沖刷水冷壁外壁減薄產生。

綜合分析，確定泄漏點順序依次為：1#泄漏點為原始泄漏點，2#、3#、4#泄漏點均是因1#泄漏點形成后，蒸汽裹挾外來物料流沖刷水冷壁外壁減薄產生。

為證實原始泄漏點判斷的正確性和查找原始泄漏點形成原因，將1#泄漏點樣管送檢分析。化學成分分析表明，水冷壁管各元素含量均符合標準要求；水冷壁管內壁處取垢樣進行X熒光能譜分析，檢測結果顯示，垢樣中主要為Fe（質量分數79.20%）、Mg（質量分數3.82%）、Al（質量分數1.40%）、Ca（質量分數1.79%）、Cu（質量分數6.68%）等元素；水冷壁管泄漏點部位金相組織分析可見水冷壁管泄漏點尖端處微觀組織無明顯畸變，組織無異常，但內壁可見大量平行軸向的腐蝕疲勞裂紋；水冷壁管泄漏點部位電子顯微形貌分析可見水冷壁泄漏點側的微裂紋尖端較為圓潤，內部附著致密的腐蝕產物，這些腐蝕產物主要含有Fe（質量分數47.54%）、C（質量分數15.89%）、O（質量分數32.12%）、Cu（質量分數4.46%），應為Fe的氧化物以及Cu和Cu的氧化物。

綜上分析，造成此次水冷壁管泄漏的主要原因為：水冷壁管在因負荷變化等原因產生的交變應力作用下發生疲勞損傷，加之給水中氧化物（Fe3O4、CuO等）在水冷壁內壁處沉積結垢，導致水冷壁管發生腐蝕疲勞，在水冷壁與鰭片焊縫應力集中處開裂并不斷擴張，最終在管內介質壓力作用下發生泄漏。

4 泄漏原因及處理對策

長期運行中，工裝孔的密封板裸露在爐膛煙氣（溫度960℃～1 000℃）中，吸收大量煙氣熱量，由于管內汽水混合物吸收帶走熱量有限，密封板實際溫度高于使用極限，造成炭化失效，形成裂紋；密封板與水冷壁管處于焊接熱影響區根部，壁厚變化較大，受負荷和爐膛溫度變化易形成應力交變，導致組織結構強度不斷變弱，產生微細的應力腐蝕裂紋；汽水混合物中的氧和氧化物以及鹽類物質沉積在應力腐蝕裂紋中腐蝕水冷壁管，導致膨脹擴張；水介質中的鹽類物質在此處富集、覆蓋、沉積，形成阻隔傳熱的垢層，阻礙了傳熱效果，加快了裂紋成長速度。在以上多重因素作用下，微細裂紋不斷形成和發展，最后引起泄漏事故。

高溫高壓汽水混合物從1#泄漏點沖出，汽水混合物裹挾著爐內的高溫顆粒物料沖擊到第52根管，由于兩管之間距離較近（約200 mm），1#泄漏點又較細小（長度約3 mm，沿徑向寬度約1 mm），因此在第52根管上形成鋸割狀磨損減薄2#泄漏點（長約20 mm，寬約3 mm，在窗口型4#泄漏點對應撕裂處可見痕跡）。

2#泄漏點噴出的高溫高壓汽水混合物裹挾著爐內的高溫顆粒物料沖擊到第49根管，導致第49根管沖刷側整體磨損減薄，在受沖刷最近、最薄弱處爆開，形成3#泄漏點。

3#泄漏點截面呈紡錘形，因此噴出的高溫高壓汽水混合物呈散射型，裹挾著爐內的高溫顆粒物料反沖擊到第52根管，導致第52根管迎沖刷側整體磨損減薄，在受沖刷最近、最薄弱處泄漏，致使第52根管在管內高溫高壓汽水混合物作用下形成窗口形4#泄漏點（長×寬約50 mm×150 mm）。

綜上所述，泄漏發生的主要原因：（1）工裝孔密封板設計太寬大，焊縫處金屬厚度與水冷壁管壁厚變化過大，易造成水冷壁管迎火側焊縫熱影響區熱交變應力變化大；（2）鍋爐水質控制不嚴，造成水冷壁內壁結垢和腐蝕嚴重，且垢樣含有大量銅的成分，以及鈣、鎂、鋁元素，說明含銅的換熱設備發生過內漏，導致水質惡化。次要原因：焊接根部截面厚度突變處，在熱交變應力作用下，氧化腐蝕和結垢腐蝕導致材質失效。

采取的措施和對策：（1）下次大修時，將3臺鍋爐爐頂工裝孔全部取消，恢復成直管；（2）因3臺鍋爐爐膛升降平臺穿繩孔與此次發生泄漏的工裝孔結構一樣，且從未使用過，將其全部取消，恢復成直管；（3）工裝孔如無必要，在設計時盡量取消；確有需要，例如爐內升降平臺穿繩孔、溫度測點插座孔、壓力測點插座孔等，設計時密封板寬度以不超過水冷壁1個節距、長度以不超過節流彎曲半徑最低值為宜；（4）嚴格按照TSG11—2020《鍋爐安全技術規程》要求監督入爐水質，水質檢測要及時準確，不合格的水質堅決不準進入鍋爐水系統；（5）聯系權威鍋爐檢測機構，對鍋爐受熱面進行安全檢查評估，采取針對性措施，防止特種設備重大事故發生。

5 結 語

鍋爐在設計階段，應盡量減少開孔設計，必須時，應考慮密封板換熱是否能夠滿足工況要求，并且盡量降低密封板寬度。在生產階段，根據實際情況封堵不必要的開孔，或者減小開孔密封板寬度，也可采用焊接渣釘、高強度耐高溫防磨耐火材料覆蓋（循環流化床鍋爐不適用，易掉落，堵塞落渣口）等方式；加強運行中水質監測，嚴格控制疏水、蒸汽冷凝回水的水質，不合格時不得回收進入鍋爐，特別是化工企業自備電廠，使用蒸汽的化工裝置分布在各個分廠，冷凝回水水質差距較大，質量控制更應引起水處理監測人員和鍋爐運行人員的注意。同時，要嚴格執行《火力發電廠金屬技術監督規程》有關鍋爐定期檢查檢測規定，發生受熱面管結垢嚴重時，一定要執行TSG11—2020《鍋爐安全技術規程》中有關化學清洗的規定。