电厂锅炉设备故障分析与识别

电厂锅炉设备故障分析与识别丘纪华华中科技大学一、大容量锅炉承压部件爆漏事故分析1.概述锅炉承压部件的爆漏占主要有“四管”爆漏，当然还包括炉内其它一些管段的泄漏和爆破。“四管”爆漏是指锅炉水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管产生泄漏及爆破。锅炉的“四管”爆漏是火电厂中常见性、多发性故障，是长期困扰火电厂安全生产的一大难题，其引发事故率高，通常需停炉处理，故对发供电和技术经济指标影响很大。从我国近年来大型电站机组设备事故统计数据看，锅炉设备事故中“四管”爆漏的事故所占比例较大，在所发生的非计划停运事故中，有近一半是锅炉“四管”爆漏造成的。锅炉“四管”爆漏对机组可用率的影响，NERC（北美电力可靠性委员会）的统计分析表明，每减少1%的可用率意味着3000~7000万美元的经济损失。因此，如何更加有效地开展锅炉“四管”爆漏防治工作，提高设备的可用率，进而提高企业经济效益是一个具有现实意义的课题。过热器44.6%再热器12.1%水冷壁15.6%省煤器27.7%1.1国内“四管爆漏”的情况华中地区“四管爆漏”事故统计过热器34.7%再热器18.2%水冷壁39.6%省煤器7.5%华东地区“四管爆漏”事故统计华中地区火电机组“四管爆漏”技术原因分类统计过热24.1%其它4.1%质量缺陷27.2%腐蚀3.9%磨损37.3%疲劳3.4%111.2“四管爆漏”的形状（1）水冷壁爆管炉水水质恶化，水冷壁内壁沉积结垢，造成垢下腐蚀导致爆管。高温腐蚀引起的水冷壁爆管（SO2腐蚀）水冷壁氢腐蚀爆管的宏观形貌（2）过热器过热器弯头爆漏过热器爆管（3）再热器低再爆管再热器管爆管（4）省煤器省煤器泄漏省煤器泄漏炉水吹损坏的其它省煤器管2.四管爆漏原因及机理分析2.1数据的分析和归类尽管锅炉“四管”爆漏的机理复杂，目前已知的有20余种，但是基于对历史数据的分析，发现绝大部分爆漏问题可以划归在3类型式中。（1）慢性、累积型爆管：包括由蠕变、疲劳、腐蚀和磨损等引起的炉管爆漏。这类问题一般与运行时间相关，随着机组运行累计时间的延长和设备的老化，这类问题呈现上升的趋势。（2）先天缺陷引起的爆管：这往往由于制造、安装或检修等环节的质量控制问题引起，如焊接缺陷、缺陷部位的寿命因缺陷程度的大小变化很大。这类炉管爆漏随时间的推移呈逐渐下降的趋势。（3）快速、随意型爆管：这类爆管往往是由于运行中的短期异常问题引起，比如运行中的汽水回路流量中断、吹灰器异常吹损等。与前面两类不同，这类炉管爆漏问题一般是由短期因素作用引起，它的发生机率和机组的运行时间无关。区分了以上3类爆管的特点，就可以采用不同的处理方案第1类爆管数量上一般占总爆漏次数的50%以上。对于此类爆管，针对爆漏失效机理可采取相应的预防、控制措施。第2类爆管问题可以通过加强质量管理，抓好从管材采购到制造、安装各环节的检查和检验工作得到控制。第3类爆管的发生虽然呈现一定的随意性，但是通过加强设备技术管理工作也可以降低其发生的机率。爆管类型及特点通过故障事故的分析，引起锅炉四管爆漏可归纳如下几方面原因：超温过热：短期过热；长期超温。磨损：管内工质磨损；炉内飞灰、吹灰磨损。腐蚀：管内壁腐蚀；烟气侧腐蚀；应力腐蚀。疲劳：振动疲劳；热疲劳；腐蚀疲劳。质量缺陷：焊接缺陷；材料缺陷。异种钢焊接及机械损伤。四管爆漏原因及机理分析引起四管爆漏的原因很多，包括设计、制造、安装、检修、运行及煤种等多方面，某一四管爆漏故障往往非单一因素所致，而是多种因素同时存在并交互作用的结果。根据全国大机组锅炉四管爆漏事故的统计，磨损、焊缝、过热、腐蚀、拉裂等是引起锅炉四管爆漏的主要原因。一、超温过热(一)类型1.短期过热：受热面的工作温度短时超过材料的下临界温度时，材料强度明显下降，在内压力作用下发生胀管和爆管现象。2.长期超温：受热面的工作温度处于设计允许温度以上而低于材料的下临界温度，在内压力作用和长时间高温高压条件下产生塑性变形和蠕度（局部胀粗），最后导致爆管。(二)超温过热的主要原因1.热偏差的影响：气粉分配不均匀、炉膛火焰中心偏移，造成炉膛出口的烟气温度偏差较大；受水冷壁吸热影响，使炉膛出口处中间烟气温度高于两侧，造成局部受热面的热负荷过高。2.蒸汽质量流速设计偏低和流量分配不均匀。3.管内严重结垢或被异物（金属碎片、焊渣、泥砂等）阻塞而使蒸汽流量减少或停滞。完全堵塞会造成短时超温破坏，部分阻塞或流通不畅，经一段时间运行会造成长期超温蠕变损坏。4.煤质的影响：实际燃煤发热量低于锅炉设计用煤时，要满足锅炉的设计出力，须增加燃煤量，而制粉细度受到设计出力的限制，粗煤粉颗粒影响炉内的着火和燃烧，使火焰中心上移，炉膛出口烟温升高。5.三次风量大及锅炉漏风的影响：炉底除渣门经常开启，炉底漏风量加大以及三次风量大均造成火焰中心上移，使过热器管壁温度升高。6.高压加热器投入率低，给水温度低于设计值，为维持锅炉的设计出力，势必要加大锅炉的进煤量，这样会引起过热汽温上升，造成过热器管壁超温。7.设计制造方面的原因：设备制造缺陷或材料成份偏析而导致受热面局部超温。8.运行因素：减温器投入不当，造成部分管段过热；升炉时炉火、汽温控制不严，使低温过热器超温；锅炉启、停，锅炉负荷过低、负荷变化过快、甩负荷、旁路投入不及时等，使再热器过热烧损。9.过热器管内表面的氧化垢或其它化学沉积物，使传热效果下降，造成管壁金属过热，性能降低。10.由于上游管子损坏而使冷却工质中断，造成下游管子得不到足够的冷却。过热是受热面运行温度超过了该金属的许用温度，其显微组织发生了变化，出现珠光体球化、石墨化及热脆性等，大大地降低了金属的许用应力。这时受热面管在内压力作用下产生的应力就有可能大于金属的许用应力。在长期高温高压的条件下产生塑性变形和蠕变，最后导致爆管。二、磨损磨损引起的爆漏占比例也是比较大的。磨损有飞灰磨损和机械磨损，以飞灰磨损为主。飞灰磨损与炉型结构、受热面布置方式、烟气流速、制造安装质量、煤灰特性、烟气含尘浓度等多种因素有关，它主要表现在受热面结构布置或烟气通道被积灰阻塞造成局部流通阻力小，或管夹烧损、变形后出现管排散乱、出列，这些均会形成烟气走廊造成局部烟速过大，还有管排错列布置、设计烟速高或运行中采用过大的过剩空气量而使烟速过高等。(一)类型1.飞灰磨损：烟气中燃烧气体和飞灰构成气—固两相流对管壁进行冲刷和切削，这种对管壁造成的磨损危害甚大。2.吹灰器造成的磨损：锅炉运行要求吹灰器（利用高压水或蒸汽）定时将受热面管壁沉积的煤灰、污垢吹扫干净，以改善传热，但若吹灰器安装或运行操作不当等原因，会造成对管壁的磨损损伤。吹灰器吹灰行程不够，吹灰角度不准，吹灰蒸汽温度过高、压力过大，吹灰器与受热面管壁距离太近，吹灰器故障卡涩退不回原位、吹灰器阀门内漏，吹灰器定点吹扫时间过长等是吹灰器附近或下方受热面管爆漏的主要原因。3.振动磨损：屏式过热器管夹经常烧损，导致管排零乱，过热器受热面固定不牢，运行中管圈出位发生振动造成管子间的机械磨损。4.管内汽水冲刷：汽水流速很快，不断对换热器管内壁进行冲刷，在管道拐弯处尤为严重(二)飞灰的磨损机理飞灰和烟气构成的气—固两相流（含SiO2、Fe2O3、Al2O3等）对管壁造成两种磨损：塑性磨损和切削磨损。塑性磨损是固体颗粒长期重复撞击管壁，金属自行脱落形成班点磨坑；切削磨损是气—固两相流高速运动中，灰粒切削管壁危害性极大的磨损。管壁的磨损量可按下式计算：g/m2(3-1)式中T——管壁表面单位面积造成的磨损量c——飞灰磨损性系数——飞灰撞击管壁的机率——烟气中的飞灰浓度g/m2w——飞灰速度，以烟气流速替代——锅炉的运行小时数1.飞灰速度（w）的影响管壁的磨损正比于飞灰冲击管壁时的动能mw2，m为飞灰质量（等于飞灰浓度与体积的乘积）。当飞灰速度（或烟气流速）达到30~40m/s时磨损最严重，在1104~5104h期间有可能使管子磨穿。烟气中的飞灰颗粒冷却到700℃以下，其硬度增大，高速较大硬度的飞灰对受热面的磨削，逐渐减薄管壁以致爆管。局部烟气流速过高或烟气不均匀流动均会加剧受热面的磨损损伤。2wcT2.飞灰浓度（）的影响（3-2）式中Ay——燃煤中的灰分fh——飞灰占总含灰量的份额Vy——燃料燃烧后的容积（m3/kg）(主要决定于燃料中的碳氢含量)由上可知，燃用比设计煤种灰份高的低质煤是飞灰浓度增加的根本原因3.灰磨损性系数（C）的影响C与飞灰物理性能有关，在同等烟速、飞灰浓度下，省煤器的磨损大于过热器的磨损。因为省煤器处的烟温低于过热器烟温，加之漏风加速飞灰冷却变硬，若再出现不完全燃烧，飞灰中固定碳增加，这样既加大了飞灰浓度，又增加了灰粒硬度，加剧受热面磨损。4.飞灰撞击管壁的机率（）的影响飞灰惯性mw2大，撞击机率高；烟气粘度小，撞击机率高。yfhyVA/10以660MW机组锅炉为例，估算流经省煤器的灰量：锅炉在MCR工况下每小时燃用含灰量13%的国产煤262吨，若按飞灰份额90%，年运行6000小时计，流经受热面的灰量将为20.44万吨。如省煤器设计使用年限为10万小时，在此期间流经省煤器的灰量将高达340.6万吨。处于分散状态随同烟气流动的这无数个具有一定硬度的灰粒，对受热面每一次碰击都将剥落微量的管壁面金属。通过估算，可以发现流经省煤器受热面的灰量是十分惊人的，而含灰量的增加对设备会造成更严重的磨损。(三)磨损故障的相关因素1.煤质的影响若燃用煤质灰分高于设计值，因制粉设备出力的限制，煤粉直径大的粗颗粒将加剧对受热面管壁的冲刷磨损。2.结构设计因素烟气直接冲刷管子弯头和局部烟速过高，会造成炉后包复管及弯头的严重磨损。3.烟气走廊的影响因设计、安装、检修质量诸原因，低温再热器与烟道的后墙包复和两侧包复管之间的间隙较大，形成了“烟气走廊”，加速了包复过热器的磨损。4.对流过热器积灰渣的影响对流过热器积灰渣阻塞烟气通道，使未堵部份烟气流速急剧增加，造成该区域受热面管壁的严重磨损。5.管材选用不当的影响某电厂引进法国330MW配套锅炉，中温过热器布置在折焰角附近的高烟速、高热负荷区，管道选材只注意热强性，而忽略了耐磨性的要求，外圈管段选用的奥氏体钢不耐磨，中温再热器用于管排定距的水冷却隔离管选用了非耐磨钢，造成多次因磨损而爆管。6.炉膛设计高度偏低，导致炉膛出口处（大屏后）烟气速度大大增加，而飞灰磨损速率与烟速的3.2次方成正比关系，可见因烟速飞灰磨损将增加数倍。7.炉内空气动力场分布不尽合理，使实际燃烧时假想切圆偏大，造成受热面磨损加剧。8.管排上的管夹因过热变形或开焊造成管排振动及膨胀滑动，使管壁与管夹、梳形卡子、定位板之间产生磨损导致再热器管爆漏。9.管束结构的影响烟气对管道的横向冲刷比纵向冲刷造成的磨损严重；横向冲刷时，错列管束比顺列管束的磨损严重；飞灰对管壁表面冲刷时的冲角为30~55°时磨损最严重。在过去的200MW机组上，因锅炉的再热器汽温达不到要求，常采用烟气挡板调节汽温，将挡板开足增加低再侧的烟气量，使再热蒸汽温度提高，但烟气流速增加加剧低再和低再侧省煤器管子的磨损（磨损量与烟气流速的3.2次方成正比）。机械磨损常有：煤粉喷嘴及三次风嘴附近的水冷壁管受带粉气流冲刷（如燃烧器喷嘴烧坏变形）；管排上的管夹因过热变形或焊接不牢固而开焊，造成管子振动并与管夹相磨。吹损主要是由于吹灰器运行不正常引起的，湿蒸汽带水或飞灰带入吹灰介质中，也会吹损炉管。三、腐蚀锅炉受热面外部受燃烧气体包围，由于燃料中含硫，燃烧中会氧化成SO2、SO3，最后产生H2SO4对受热面产生腐蚀，受热面上还有铁、钒、Si、Al、Na等氧化物的积灰存在，加之管壁附近的还原气氛和腐蚀性气体均对受热面管外壁产生腐蚀。管内水中的溶解氧和游离NaOH均对管内壁带来腐蚀。(一)类型1.管内壁腐蚀：也称水汽侧腐蚀、包括溶解氧腐蚀、沉积物垢下腐蚀、碱腐蚀、氢损伤、铜氨化合物腐蚀等。2.烟气侧腐蚀：可分为高温腐蚀、低温腐蚀3.应力腐蚀：也称冲蚀，它是管道受到腐蚀和拉（压）应力的综合效应(二)腐蚀故障机理1.管内壁