第三章大型锅炉事故及预防

第三章大型锅炉事故及预防第一节防止电站锅炉事故的意义与对策第二节承重部件的损坏及其预防第三节可燃物质的爆炸及其预防第四节受热面烧损及预防第五节防止锅炉承压部件的损伤第六节锅炉受热面腐蚀及预防钱祥鹏第一节防止电站锅炉事故的意义与对策一、防止锅炉事故的重要意义二、当前锅炉机组事故的特点三、预防事故发生与扩大的措施四、故障分析的目的、方法一、防止锅炉事故的重要意义电力工业的安全生产关系国民经济发展与人民生活的安定，也是电力企业取得经济效益的基础。锅炉机组是火力发电厂三大主机之一。可靠性统计表明，100MW及以上机组非计划停用所造成的电量损失中，锅炉机组故障停用损失占60％～65％，1995年100MW及以上锅炉及其主要辅机故障停用损失电量近120亿kWh。故障停用造成的启停损失（启动用燃料、电、汽、水）若每次以3万元计，仅此一项全国每年直接经济损失就达2400万元。与此同时每次启停，锅炉承压部件必然发生一次温度交变导致一次寿命损耗，其中直流锅炉水冷壁与分离器可能发生几百度温度的变化，从而诱发疲劳破坏。因此，防止锅炉机组的非计划故障停用，历来受到各级领导的重视。部《防止电力生产重大事故的二十项重点要求》中列出了防止大容量锅炉承压部件爆漏、防止锅炉灭火放炮，防止制粉系统爆炸等三项反措要求，要求逐项续贯彻。为减少锅炉机组故障引起的直接与间接损失，减少故障停用带来的紧张的抢修工作，发电厂的安全监察、锅炉监察、技术监督工作者及全体检修、运行、管理人员，必须认真贯彻“安全第一、预防为主”的方针，落实反事故措施，提高设备的可用率，防止锅炉事故的发生。二、当前锅炉机组事故的特点锅炉机组的事故特点是与锅炉所用的燃烧、锅炉结构、控制手段与工艺水平密切相关的。1955年发生在天津的田熊式锅炉下泥包苛性脆性，死亡77人的事故，如今由于淘汰了铆接、胀接工艺，此类事故已被消灭。由于给水品质的提高及蒸汽参数的提高，出现在中小型锅炉的水循环事故及表面式减温器事故也趋于消灭。随着自动控制水平的提高，锅炉缺满水及灭火放炮事故也逐步得到控制。与此同时，由于采用亚临界、超临界参数，采用悬吊式全密封结构，以及实现计算机控制等等，也带来了一些新问题需要研究解决。鉴于各局、厂情况不同，防范措施理当有所区别，本文仅根据国内电厂发生的锅炉故障情况，按严重程度与分布频率，提出以下分析意见。（1）锅炉承重结构的变形、失稳使悬吊式锅炉坍塌是导致近年来锅炉报废的最终原因，必须高度重视支吊、承重结构的安全。（2）炉外管道爆漏、受热面腐蚀、转动机械飞车、制粉系统爆炸、锅炉尾部受热面烧损是造成人员伤亡，设备严重损坏的主要原因。（3）锅炉四管爆漏仍居当前锅炉机组非计划停用原因的首位。锅炉四管因蠕变、磨损、腐蚀、疲劳损坏以及焊口泄漏，常常可以因调度同意使用而不构成事故，但因其停用时间较长，直接、间接损失大仍是锅炉故障损失的主要因素，必须加以重视。（4）锅炉辅机故障，包括送风机、引风机、磨煤机、排粉机、一次凤机、捞渣机、回转式空气预热器等转动机械卡转、振动、烧瓦等，此类故障约占锅炉机组故障停用次数的10％左右，常常是机组降出力的原因。（5）热工保护装置故障误动引起机组跳闸，其次数随保护装置采用范围的扩大而有所增加，这是当前新机组投产初期运行阶段的常见故障。说明要解决如何进行设计、安装，使控制手段与设备性能相匹配，并缩短磨合期等问题特别需要对基建工序的安排与配合问题加以研究。但当前主要应防止因耽心误动而随意退用保护装置的倾向。三、预防事故发生与扩大的措施综合分析全国大型锅炉故障停用的原因，可以明显地发现，必须从设计标准、设计选型、制造安装、运行调试全过程努力，才能最有效地防止事故的发生。作为发电厂必须搞好检查、修理，认真整治设备，严格各项规章制度的贯彻执行，才能真正提高设备的可靠性。同防止发电厂其他设备故障一样，防止事故发生与扩大的措施是：（1）重视运行分析，推广在线诊断技术，提高预防性检修的质量。（2）重视热工报警及自动保护装置的投用，反对强撑硬拼，把事故消灭在萌芽状态。（3）事故后要认真分析事故原因，以便采取针对性的措施。同时要研究其他单位事故案例，分析潜在的不安全因素并采取相应措施。（4）加强燃料、汽、水品质、金属焊接管理，做好防磨防爆工作。（5）要认真审定事故处理规程及“防灾预案”，运行人员要训练有素以正确判断与处理事故，避免灾难性事故的发生。四、故障分析的目的、方法控制电站锅炉故障主要在于预防，在于把缺陷消灭在酿成事故前。但是一旦发生了故障，在组织抢修的同时，分析故障原因也是安监人员与锅炉专业人员义不容辞的责任，不可偏废。成功的故障分析可以避免类似事故的重演，加速抢修恢复，工作不有利于分清责任，从而提高设计、制造、检修、运行工作质量，也有利于合同的执行。不成功的故障分析往往导致事故的再次发生或导致反措资金的浪费。例如，1984年10月，一台300MW机组的一台风扇磨炸裂飞车，风扇磨叶轮碎裂成23块，飞散在锅炉房零米层，当场打死检修班长李×，事故发生在检修后试转时，迅速查明原因才能在避免人身事故的前提下解决电网用电的需要（见图4-3-1）。事故调查组在记录好叶轮碎块分布状况的基础上，组织力量通过拼凑叶轮原貌，从分析断口裂纹发展方向着手找出了原始裂纹及裂纹起源点，从而把疑点迅速集中到修复叶轮磨损所用镶条的拼接点上。接着用着色探伤法逐台检查，发现只用此工艺修复的几台风扇磨叶轮的相应部位，都发现裂纹。由于很快找出了事故原因，从而可以有针对性地更换叶轮备件，使机组很快投入正常运行。而如某厂屏式过热器联箱管座角焊缝泄漏事故，从焊接接头断口宏观检查看，焊缝焊接质量确实存在缺陷，但由于没有细致分析，即决定全部管座重新施焊，事隔不到一年该处又连续发生管座焊口泄漏。最后查明原因是：该屏式过热器用振动吹灰，为了使全屏都振动而达到除灰的目的，在管间加装了固接棍，这样屏式过热器管上部由联箱管座固定，中部由固接棍固定，由于管间不可避免地存在温差膨胀不畅以及对接时存在的焊接残余应力，导致焊口一再泄漏。当取消固接棍后，这部分焊口泄漏才能解决。说明第一次故障分析由于没有找到事故根源，不仅多耗了返修的资金，也导致事故的重复发生。当然对于一些多因素、复杂的或不常见的事故，要求一次抓住主要故障原因，从而采取针对性的措施解决问题有一定的难度，但作为事故调查工作的目标与责任应该是：要找出事故根源防止重复性事故发生。根据多数安监工作者成功的经验，在事故调查方法方面应该做到：（1）掌握故障第一手材料。包括故障前运行记录，事故追忆打印记录，损坏部位的宏观状况，部件损坏的起源点及扩大损坏面的状况等。（2）以事实及各项化验，试验数据为依据，避免主观忄意断或过多的推论。（3）在掌握各种损坏方式的特征及各种分析手段所能得出的结论的前提下，事故调查人员应当迅速组织取样、化验与测试。（4）分析情况要有数量概念。在设计范围内超过设计范围，保护正确动作或定值不当或误动等都要用数据说明。（5）根据部件失效的直接原因，查制造、安装、检修、运行历史情况，以规程、标准的规定为依据判定是非。（6）要分析故障的起因，也要分析事故处理过程，从中找出故障扩大的原因与对策。第二节承重部件的损坏及其预防《电力工业锅炉监察规程》规定锅炉结构必须安全可靠的基本要求是：①锅炉各受热面均应得到可靠的冷却；②锅炉各部分受热后，其热膨胀应符合要求；③锅炉各受压部件、受压元件有足够的强度与严密性；④锅炉炉膛、烟道有一定的抗爆能力；⑤锅炉承重部件应有足够的强度、刚度与稳定性，并能适应所在地区的抗震要求；⑥锅炉结构应便于安装、维修与运行。以往分析锅炉部件故障失效，比较重视超温过热、腐蚀、磨损与焊接质量，是因为水管锅炉在汽、水压力作用下一旦汽管、水管、管道不能承受内压作用时，即发生爆破、泄漏；但自从采用悬吊式锅炉结构后，由于锅炉受热面、汽水联箱、管道、烟风煤粉管道都通过支吊架、梁、桁架，由钢柱承重；并以膨胀中心为零点，向下，向四周膨胀。一旦承重系统失效，部件附落，部件的几何形状即发生变化，同样可以导致锅炉部件故障失效。理论计算表明，一根细长的受热管可以承受很高的内压，但却不能承受一般的轴向压力，更不能承受侧向弯曲力的作用，所以必须重视由此而产生的变形失效。事故案例表明此类失效会导致锅炉报废，不可大意。1988年4月某热电厂一台220t/h锅炉，由于炉膛内聚集的可燃气体爆炸，锅炉钢架不能承受爆炸引起的侧向作用力，炉后钢柱扭曲、断裂，炉顶大板梁失去支承点，向下向右塌落。于是锅炉省煤器、过热器、水冷壁也随之掉落并发生弯曲变形，回转式空气预热器也被压下沉，导致整台锅炉报废（见图4-3-2）。1994年3月某热电厂的一台220t/h锅炉由于锅炉房起火，锅炉钢柱遇热屈服强度下降发生弯曲变形，致炉整体后倾10°，后移5.3m，汽包下沉2m，所有受热面下坍弯曲变形，锅炉报废。1993年3月某厂一台2008t/h锅炉由于大量堆集以及可能存在的塌焦、炉压突升等冲击力，使支撑该炉冷灰斗的钢结构失稳，组成冷灰斗的水冷壁管严重变形（见图4-3-3）。除此以外，近年来国内电力系统由于支吊件失效，而发生的灰斗、煤斗、烟道、风道坍塌、受热面下沉的事故还有十余次，其中一次炉底风道跌落事故见图4-3-3。这些事故虽然没有构成全炉报废的特大、重大事故，但所造成的损失以及可能造成的人员伤亡，应该同样引起我们对承重部件安全状况的重视。纵观锅炉承重件损坏事故，我们不难发现支吊件损坏事故的几个特点：（1）事故的突发性。锅炉承重部件基本可以分成三类。一类是受拉部件，如吊杆；另一类是受压部件，如钢柱、支承杆；再有一类就是受弯部件，如梁。他们都具有突发性损坏的特点，如吊杆断裂、压杆失稳和桁架失稳。所谓失稳或翘曲失效是指作用在支撑杆、支柱上的压力达到某一临界水平时，它们有时会突然发生例如弓起、褶皱、弯曲等几何形状上的剧烈变化。这时从强度观点，作用力产生的应力完全在设计范围内，但剧烈的几何变形而引起的大挠度可能破坏结构的平衡，形成不稳定的构形，使其突然崩溃，即通常所谓的失稳或翘曲失效。而吊杆的断裂因为常发生在具有应力集中特征的螺扣处，因而也具有突发性。（2）修复困难。承重件一旦安装就位，就很难卸载，因而给修复带来难度。（3）力的不确定性。锅炉受热膨胀，其他受力杆件的变形，将严重影响承重部件受力状况，除带受力指示标记的吊标外，一般难以了解受力状况。（4）常常导致事故扩大。承重件的损坏使相邻承重件负载增加促进联锁损坏，同时也常常导致相关部件受力状况的变化而损坏。严重时可导致该部件的报废。防止支、吊件损坏，应从防止超载及维持支、吊件承载能力两方面着手。当前应注意以下问题。（1）锅炉钢结构的工作温度。美国锅炉规范规定承重构件受热后温度不得大于315℃，这是因为钢材的屈服强度因温度上升而急剧下降。锅炉钢柱、钢梁急剧升温发生在锅炉房着火时。《建筑设计防火规范》中规定无保护层的钢柱、钢架、钢层架耐火极限只有15分钟，说是说在大火中钢结构很快变形失效。为此要求：①锅炉油管路，电缆的铺设要离开承重部件；②一旦发生火灾要组织力量控制承重部件的温度，此时立柱和大梁的冷却至关重要。（2）要避免炉膛严重堆焦、转向室灰斗存灰、风道积灰与烟道存水等超载现象。（3）锅炉刚性梁的作用是承受一定的炉膛爆炸力，其薄弱环节是角部绞接结构。在设计抗爆压力下，刚性梁的挠度f＝1/500。有怀疑时，应通过测试，确定是否需要加固。（4）吊杆的安全性取决于力的分配及披屋内吊杆高温部位的强度是否满足要求，最好使用有承力指示的吊架。个别吊杆弹簧压死或不承力都是不正常的现象，要作为锅炉定期检验内容加以确认调整。（5）现代锅炉普遍采用全密封膜式炉壁，并确立膨胀中心，为此在锅炉周围、上下设许多向构件，保证以膨胀中心为零点，向一定方向膨胀。凡是没有按设计值胀出的，必然存在残余应力，将涉及支吊架安全，务必要究其原因，以防意外。（6）要弄清锅炉承重部件的设计意图，哪些是受拉杆件，哪些是受压杆件，哪些接合部位要留间隙，哪些部件是要焊牢的。在安装与检修中严格贯彻设计意图，维持结构承重功能。第三节可燃物质