锅炉爆管的原因

锅炉“四管”爆漏原因探讨国网湖南省电力公司电力科学研究院锅炉技术研究所杨剑锋2013年09月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。1.1省内电站锅炉2010-2012四管爆漏次数统计厂名锅炉台数×容量2010年2011年2012大唐石门电厂2×300MW410华电石门电厂2×300MW211耒阳电厂2×200MW+2×300MW451湘潭电厂2×300MW+2×600MW420株洲电厂2×310MW000金竹山电厂3×600MW561益阳电厂2×300MW+2×600MW553华能岳阳电厂2×335MW+2×300MW+2×600MW030华电长沙电厂2×600MW010创元电厂2×300MW332涟源电厂2×300MW013黔东电厂2×600MW未统计1国电宝庆电厂2×600MW未投产0统计锅炉台数323337总爆管次数（次）272812平均每台爆漏次数（次）0.840.850.321.22013年省内电站锅炉四管爆漏情况2012年共发生锅炉爆管12次，台均次数为0.32次/台，创历史最好水平，总体上可归结为“人努力，煤质好，天帮忙”。2013年锅炉爆管情况如下：1-6月：0次（考核）6次（实际）7-9月：9次（考核）10次（实际）至9月底，锅炉爆管考核次数为9次，实际已达16次，特别是7月份以来，随着发电量的增加，爆管次数也急剧上升，形式不容乐观！1.3四管爆漏部位统计（单位：次）水冷壁过热器再热器省煤器合计2012年7132122013年7801161.4四管爆漏原因统计爆管原因爆管次数（单位：次）2012年2013年异物堵塞，短期超温44设计、制造、安装遗留缺陷33磨损22吹灰器吹损11膨胀受阻、应力不能有效释放13垮焦（或其它物件）02腐蚀10遗留缺陷未彻底处理01合计12161.5近年来锅炉四管爆漏深层次原因分析管理不到位：逢停必检执行不到位；重点部位检查不到位，如易飞灰磨损区域检查、受热面内部异物检查；运行管理不到位，如存在短、长期超温现；消缺管理不到位，如以前发现的缺陷未彻底处理。设计、制造缺陷仍然存在：典型的如某厂#1炉省煤器缺陷、某厂#1炉中隔墙下集箱疏水管管材规格等级偏低。技术难题无法彻底解决：如某厂#3炉水冷壁、包墙过热器膨胀受阻，局部应力得不到释放，拉裂受热面；某厂#1、#2锅炉结焦严重，跨焦砸伤冷灰斗水冷壁；某些厂折焰角扰流吹灰装置技术不成熟。其他原因：如燃烧器钝体安装不牢，脱落砸伤水冷壁管；火检冷却风安装角度不对磨损水冷壁管等，说明电厂在大、小修施工质量管理上存在漏洞。1.6近两年电科院所做工作下现场，抓指标。对各个电厂进行专题走访，宣贯锅炉四管防磨防爆要求，通报常见事故，分解全年指标，督促省内各电厂重视锅炉“四管”防磨防爆工作，建立健全制度、完善组织建设。完善组织建设、规范现场检查。2012年修订了《湖南省电力行业在役锅炉“四管”防磨防爆技术措施》，根据各厂锅炉历年爆管特点和设备状况有针对性的编写了《各并网火力发电厂锅炉防磨防爆等工作重点》和《2012年湖南省并网主力火力发电厂锅炉“四管”防磨防爆工作要求》，以宏观指导电厂开展工作；为规范非、异停管理，以技术中心名义，出台下发了《关于上报机组事故/异常信息的通知》。2013年制定了《关于强化火力发电厂锅炉“四管”及承压部件防磨防爆组织管理与现场检查要求的通知》并下发至各分公司、电厂，对组织建设、事故通报、现场检查等进行了规范，确保体系运转正常。实行专业承包、单位承包，落实监控职责。制定了《湖南省电力技术中心“四管”及承压部件防磨防爆管理分工细则》，明确电科院各部门、人员责任。规范流程，提高质量。修编了定期检验原始记录、报告格式及编写、审批制度，提高报告质量。1.6省内防止四管爆漏执行过程中存在的问题及解决办法存在的问题：领导重视不够。文件制度电厂没有落到实处。组织机构没有或不健全。人员流动大。没有及时报告，隐瞒事故，导致同类型事故重复发生。解决办法：领导重视，带头包干，要把抓非异停工作当做抓煤耗工作来抓就一定能搞好。落实已有制度。按要求建立、健全组织机构，有专责，最好分公司有专人分管。电科院：监督检查中纳入该内容。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。根据全国大机线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