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循环流化床锅炉受热面泄漏原因分析与防范措施
摘 要： 通过对循环流化床锅炉各类泄漏事件进行经验总结,制定切实可行的防范措施,不断提高发电厂设备管理水平.
关键词：循环流化床锅炉 受热面 泄漏
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 （2017） 05-0248-02
电站锅炉的关键部件就是受热面,受热面泄漏是困扰电站锅炉稳定经济运行的顽疾,特别是循环流化床锅炉,由于其独特的燃烧环境（较之煤粉炉更粗的燃料粒径与更高的运行速度）,受热面泄漏问题就显得更加突出.对受热面泄漏原因进行认真分析,并对其进行分类总结,制定有针对性的防范措施,对降低机组非停次数,提高发电厂经济运行效率具有重大意义,对加强循环流化床锅炉防磨防爆工作具有积极意义.本文根据作者多年来的从事循环流化床锅炉技术管理的经验,以案例的形式对流化床锅炉受热面泄漏事件的原因进行了总结.
循环流化床锅炉受热面泄漏大致可以分为以下七类,受热面异形扰流导致磨损泄漏、焊接安装缺陷导致的泄漏、附属设施缺陷导致的泄漏、设计缺陷导致的泄漏、运行方式不合理导致的泄漏、炉衬失效导致的磨损泄漏、风帽损坏导致异常磨损泄漏.现在通过案例对以上泄漏原因依照案例进行分析,并提出有针对性的防范预控措施建议.
一、受热面异形扰流导致磨损泄漏案例
1.事件经过
某日7：00 ,#3 炉运行值班员发现炉膛东南角靠近上二次风箱有漏汽声,联系检修检查,确认水冷壁泄漏申请停机,12:22 #3 机组解列.
2.缺陷处理过程
进入炉膛检查,发现泄漏点位于#1 角标高20 米处,前墙水冷壁从角部数第1、2 根管及侧墙水冷壁从角部数第1、2 弯管上有泄漏点,前墙第3根管和侧墙第3 根管上有明显吹损减薄的痕迹,测量最小壁厚3.2mm.通过检查破损管周围情况分析为前墙#1 角数第2 根管为初始泄漏管,其他5 根管为初始泄漏管泄漏蒸汽吹扫导致的破损或减薄.检查相邻前墙、侧墙其他水冷壁管壁厚正常.
3.事件原因分析
在本次更换的6 段管存在大小9 处泄漏点.对泄漏点特征分析,发现泄露点边缘均伴随有外壁明显减薄,未有单纯的爆裂状漏点,确认本次水冷壁泄漏与爆管无关.
前墙第1 和第2 根水冷壁管间折弯处的鳍片上有一规格为Φ20mm的不规则喇叭状穿孔,呈现明显的外力磨损减薄形态,为本次事件中最大泄露点,应为初始泄漏点.穿孔周围存在的变形应为鳍片焊缝咬边、未熔合在该处产生应力集中所致.
综合以上分析,本次泄漏事件的直接原因为鳍片磨损减薄穿孔磨损导致临近水冷壁管减薄穿孔泄漏.
前墙第1 和第2 根管的鳍片折弯处为初始泄漏点,上方400mm 处存在一高约10mm,长约60mm 焊接余高,应为水冷壁安装时余留物,属安装制造缺陷.
贴壁下行的物料流在经过该焊接余高处后提前发生流向改变,在下行物料流与水冷壁间的低压区与上行物料流在爆口处形成涡流区,对鳍片处产生持续磨损,最终与该处的焊接缺陷应力合力发展为鳍片减薄穿孔漏风,进而导致水冷壁泄漏.
4.防范措施
利用大小修机会,对受热面进行普查,消除影响物料正常循环的异形受热面缺陷.
图1
二、附属设施缺陷导致的泄漏案例
1.事件经过
某日9:40,#1 炉运行值班员巡检发现A 冷渣器大渣管有水汽,联系检修确认#1 炉水冷壁泄漏,10:22,#1 机组停运.
2.缺陷处理过程
锅炉内温度合适后,检修人员进入炉内进行清灰检查.检查人员发现标高约7.2m 处、A 风冷冷渣器进渣管口处有一冲刷形成的凹坑向外流水,凹坑上方为排渣反吹风口.
对床料及凹坑附近的浇注料进行清理,在炉外排渣口密封盒内的水冷壁管管段上有两个直径分别为4mm 和2mm 孔洞,具体为#1 炉A 侧墙水冷壁从炉前数第28 根管蒸汽吹损炉前数第27 根管,将该管吹损减薄到4.5mm.因附近水冷壁管均在耐磨炉衬保护中,未发现有吹损现象.
3.事件原因分析
排渣口处的凹坑的上方为排渣反吹风口,为验证凹坑形成的原因,我们将反吹开启,发现凹坑中的积水被反吹风激起,从而确认凹坑为排渣反吹风长期吹损形成.反吹风与高温炉渣对排渣口产生持续磨损,在排渣反吹风与高温炉渣的共同作用下,最终水冷壁管被严重吹损导致泄漏.查看#1 炉A 风冷冷渣器检修记录及运行日志,风冷冷渣器长期进渣不稳定,频繁开启反吹风助力进渣.
综合以上分析,导致此次水冷壁泄露的主要原因是排渣反吹风对水冷壁管吹损.
4.防范措施
（1）利用大修机会对锅炉排渣口反吹风角度进行调整.
（2）加强碎煤机维护,保证入炉煤粒度,避免炉内大渣过多,保证进渣顺畅.
（3）加强运行调整管理,规范反吹风使用,保证冷渣器安全稳定运行.
三、设计缺陷导致的泄漏案例
1.事件经过
某日10:40,#4 炉除尘器差压大,炉膛压力增大,#4 炉除尘器两个提升阀关闭打不开,#4 机降负荷60MW.11:46,#4 炉给水流量比蒸汽流量大100多吨,热井及除氧器水位低,判断系统泄漏申请停机.12:08,#4 机组解列.
2.事件原因分析
对泄漏管屏表面观察,发现第6 排管屏水平段向下数第一、二根过热器管间的扁钢（垫铁）与第一根管的焊缝左侧有一个冲刷产生的沟槽,仔细观察在焊缝下有一个撕裂狭缝与屏式过热器管贯通,该狭缝与冲刷沟槽处未发现磨损及外部吹损等痕迹,我们判断该撕裂狭缝为本次泄漏事件的初始泄漏点（如图2）.
图2
屏式过热器为L 型,下部穿过炉膛前墙与炉外的联箱连接,上部穿过炉顶与炉顶联箱连接,穿过炉膛前墙部分应为屏式过热器的膨胀死点,拐点处易产生应力集中.为减轻应力集中得到发生,该部分管间未进行鳍片整体焊接,管间采用扁钢段相连.
对泄漏管屏宏观观察,发现整个第6、7 排屏式过热器管存在严重的弯曲变形,其中第6 屏扭曲变形最为严重.
整个屏式过热器的下部通过过热器管间的扁钢（垫铁）连接成一个整体包裹在炉衬内,存在较大拉应力.上部裸漏在外的管屏可以通过变形释放应力,而下部在包墙内的管屏为膨胀死点,由于外部包裹有浇注料及相连管道都由扁钢焊接相连,导致应力集中,管屏受热膨胀应力无法释放,在第1、2 根管间产生巨大的拉应力,最终将过热器管与扁钢焊接连接处撕裂,产生泄漏,此为设计缺陷.
与东锅厂进一步沟通应证了我们的分析.锅炉告知此种泄漏曾在东锅厂的其他类似锅炉也发生过,厂家建议在以后的大修中每隔8 根过热器管取消1 根扁钢（垫铁）,使整个管屏的应力可以进一步释放,减少应力集中的发生.
造成管屏变形的主要原因是管屏膨胀不畅.由于屏式过热器为L 型下集箱在前墙穿出,因此前墙处为膨胀死点.在热态条件下水冷壁向下膨胀,但由于屏式受热面温度高于水冷壁管,膨胀量较大使管屏只能向上膨胀.管屏的上联箱采用恒力吊架悬吊在炉顶,在调整不当的情况下部分集箱和管屏的重量会作用在管屏上造成变形.管屏与炉墙的密封金属膨胀节也必须有足够的预压量,保证满足管屏向上膨胀的自由.以上环节不能满足则热态下管屏就会变形,且变形程度要大于冷态测量值管屏变形后.
3.防范措施
（1）利用每次停机机会加强受热面检查,消除膨胀环节的卡涩.
（2）利用大修机会,依照锅炉厂建议对屏式过热器进行改造,尽可能多的减少应力集中.
四、运行方式不合理导致的泄漏案例
1.事件经过
某日6:40,#4 锅炉运行值班员发现给水流量不正常升高,从390t/h 升高到450t/h,排烟温度从139℃升高到156℃,引风机电流波动大,从247A 升高到365A,炉膛负压波动大,主汽压力快速下降,汽温升高,#4 给煤机靠近炉膛处声音较大,联系检修判断炉管泄漏,申请停炉.7:34,#4 机组解列.
2.缺陷处理情况
炉内温度合适,检修人员进入炉内进行检查,发现在第3、6、7 片屏式过热器下方水冷壁管外壁有受热面泄漏的水渍痕迹,床料浸水.炉内检修平台搭设完毕,上平台进行泄漏点检查.检查发现第3 屏式过热器前向后数第1 根管弯头处炉衬脱落,弯管内侧有横向贯穿性外张口泄漏点（见图3）；检查第6、7 屏有更加严重的泄漏点（该泄漏点为主要泄漏点,泄漏量较大,但原因不在此分类,故不详细描述）.
3.事件原因分析
屏式过热器为L 型,下部穿过炉膛前墙与炉外的联箱连接,上部穿过炉顶与炉顶联箱连接,穿过炉膛前墙部分应为屏式过热器的膨胀死点,该处易产生应力集中.
第6、7 屏式过热器泄漏量的增大,锅炉补给水流量增加,排烟温度升高,在判定炉管泄漏后,为避免更大的破坏损失,迅速停机,降负荷停机的同时又大量补水,屏式过热器管壁温度迅速降低,前墙水冷壁管与屏式过热器管间膨胀不同步,导致第3 屏式过热器在弯管处产生巨大的应力集中,屏式过热器管受力被拉裂,发生泄漏.
4.防范措施
锅炉在运行过程中尽量避免各种原因可能导致的受热面温度快速变化,导致在一些容易产生应力集中地区域产生过大应力集中.
图3
图4
五、制造安装缺陷导致的泄漏案例
1.事件经过
某日11:00,#3 锅炉运行值班员巡检发现厂房内有高压管道泄漏声响,降负荷至165MW,联系检修共同检查确认#3 锅炉高温过热器管道泄漏,13:05,#3 机组停运.
2.缺陷处理过程
现场温度降低后现场检查,发现#3 锅炉高温过热器入口联箱上B→A侧数第16 排第2 根导气管至联箱管座焊口处整体断开并向上位移约70mm.对泄露管段、附近管道及过热器入口联箱进行壁厚检测,没有发现明显的减薄与过度吹损现象.
3.事件主要原因分析
对泄露过热器管壁厚及管径进行检测,过热器管规格为￠51×6.5,管段平均壁厚6.2mm,外径监测没有胀粗,对泄漏管表面观察,未发现明显的外力伤害及腐蚀痕迹.
对泄漏点表面宏观特征分析,发现泄露点边缘外壁未伴随明显减薄,没有单纯的爆裂状漏点,而是在焊缝位置直接断开.
从断开焊缝表面观察,存在明显的焊接质量缺陷,导气管及管座均存在明显焊口未融合现象,有一处厚度近4mm,占管壁厚62%.大面积未熔合区的存在导致高温过热器导气管的焊口处承力截面积减少,造成截面应力集中严重,抗拉强度呈几何倍数减小,经过3 年运行,焊口最终无法承受管道内部压力波动,达到金属疲劳极限,直接脆裂断开,导致系统泄漏.
4.防范措施
利用大小修机会增加“四大”管道焊缝检查比例.
六、风帽损坏导致异常磨损泄漏案例
1.事件经过
某日6:40,#4 锅炉运行值班员发现给水流量不正常升高,从390t/h 升高到450t/h,排烟温度从139℃升高到156℃,引风机电流波动大,从247A升高到365A,炉膛负压波动大,主汽压力快速下降,汽温升高,#4 给煤机靠近炉膛处声音较大,联系检修确认受热面泄漏.7:34,#4 机组停运.
2.缺陷处理经过
待炉内温度合适,进入炉膛发现第6、7 屛式过热器的拐点处炉衬大面积剥落,有20 余根过热器管裸露且减薄严重,泄漏点较多.发现炉膛中部（第6、7 屛式过热器正下方）部分风帽损坏严重,有5 个风帽的风管断裂,50 个风帽的钟罩脱落.
3.事件原因分析
通过对炉内屏式过热器整体观察,发现第6、7 屏式过热器弯曲变形严重,且这2 屏的下外拐点处的炉衬大面积脱落.第6 屏泄漏点多为呈切割状的汽水吹损,第7 屏泄漏点为管壁减薄后的外张爆口,爆口处未发现胀粗管段,说明不存在过热,可以认定,第7 屏爆口泄漏点应为本次泄漏事件的初始泄漏点.
通过对以上特征综合分析,认为锅炉第6、7 屏式过热器膨胀受热不均匀扭曲变形,导致其上附着的炉衬失效剥落,本应被炉衬包裹进行防磨的屏式过热管裸露在炉膛内,被炉内循环的床料反复冲刷减薄,导致第7 屏式过热器管泄漏,泄漏的蒸汽将临近的同样裸露出来第6 屏式过热管吹损泄漏.布风板上风帽损坏后,扰乱了炉内床料循环流场,高压一次风裹挟床料直接吹向上部裸露的屏式过热器管,加快了磨损泄漏的速度.
综合以上分析,屏式过热器变形和风帽损坏是此次事件的主要原因.
4.防范措施
1.加强屏式过热器监测,消除应力集中,避免过大变形.
2、对风帽进行改造,提高风貌的耐高温、耐磨等级.
七、炉衬失效导致的泄漏案例
1.事件经过
某日16:45,#1 锅炉运行值班员巡检发现#1 炉B 侧炉膛出口膨胀节顶部有水汽泄漏声,联系检修确认锅炉汽水系统泄漏,17:33,#1 机组解列.
2.缺陷处理过程
检修区域温度合适,拆开B 侧炉膛出口膨胀节处保温,膨胀节钢板被冲开一100mm*200mm 的洞,炉侧水冷壁外表面有冲刷印迹.进入炉膛内检查,发现B 侧炉膛出口膨胀节顶部拐角处炉衬部分脱落（图5）,膨胀节穿孔与炉外联通,膨胀节框架部分吹损.膨胀节两侧旋风分离器进口烟道过热器管与炉膛出口水冷壁管各有1 处泄漏点.膨胀节炉衬向火侧与烟道顶部连接处开裂.
由于两根管受损面积较小,且周边管段在炉衬包裹下未发生过度损坏,决定只对泄漏点进行补焊处理.
3.事件原因分析
对2 个漏点周边进行观察,没有发现焊缝及其他可能引起应力集中的金属缺陷.对泄漏管段的形貌特征进行观察,发现旋风分离器进口烟道侧过热器管泄漏点附近整体减薄,最薄处仅2.6mm （标准规格应为￠60×6.5）,为明显的物料磨损减薄痕迹,破口斜向上.炉膛出口烟道侧的水冷壁管有数道水汽吹损产生的切痕.
综合泄漏部位的炉衬破损情况及泄漏点的磨损情况,我们分析,炉衬破损应先于汽水泄漏.炉衬失效脱落后,原本处在炉衬包裹下的水冷壁管与过热器管裸露出来,处在迎风面的过热器管率先受到磨损减薄,随着管内饱和蒸汽压力波动,最终发生泄漏.泄漏后的饱和蒸汽对对面的水冷壁管和膨胀节进行冲击,造成水冷壁管泄漏和膨胀节穿孔.
综合以上分析,膨胀节处炉衬脱落是此次水冷壁过热器泄漏的直接原因.
4.防范措施
充分利用检修机会,加强问题炉衬普查,发现问题立即整改.
八、结束语
防止锅炉受热面意外泄漏的路还很长,是一项长期而艰巨的任务,任何时候都不能掉以轻心.只要我们在每次事件后不断地总结经验,认真归纳,对症下药,就能最大限度的降低因受热面泄漏导致的非停事件次数,提高发电厂设备管理水平.
作者简介：马鹏飞,（1980.6-）,神华准能矸电公司工程师.
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