華能萊蕪電廠#4、5鍋爐末級(jí)過(guò)熱器爆管原因分析及預(yù)防

1、華能萊蕪電廠#4、5鍋爐末級(jí)過(guò)熱器爆管原因分析及預(yù)防摘 要：山東華能萊蕪電廠2×330 MW #4、5機(jī)組鍋爐自2012年下半年以來(lái)連續(xù)在同一位置發(fā)生三次末級(jí)過(guò)熱器爆管事故（累計(jì)運(yùn)行僅3萬(wàn)小時(shí)/臺(tái)），造成了很大經(jīng)濟(jì)損失。該廠為查明原因做了大量工作，檢查級(jí)噴水減溫器、末過(guò)入口聯(lián)箱與管子（異物和氧化皮）、管材等均未發(fā)現(xiàn)異常，使爆管原因分析工作陷入困境。本文通過(guò)對(duì)大量運(yùn)行參數(shù)并結(jié)合末過(guò)入口聯(lián)箱結(jié)構(gòu)展開(kāi)深入分析，提出這幾次事故是在特殊條件下氧化皮提前脫落造成爆管的結(jié)論，并制定出針對(duì)性預(yù)防措施。 關(guān)鍵詞： 鍋爐四管 泄漏分析 防范措施一、基本概況華能萊蕪電廠2×330 MW #4、5

2、機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界壓力中間一次再熱控制循環(huán)汽包爐，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間均達(dá)到3萬(wàn)小時(shí)。鍋爐點(diǎn)火方式是等離子點(diǎn)燃A層煤粉，再逐級(jí)投入上層噴燃器。在爐膛折焰角及延伸側(cè)墻斜煙道上依次布置屏式再熱器 、末級(jí)再熱器，末級(jí)過(guò)熱器。過(guò)熱蒸汽汽溫調(diào)節(jié)主要靠噴水減溫器,I級(jí)噴水減溫器布置在低溫過(guò)熱器與分隔屏之間的管道上,級(jí)噴水減溫器布置在后屏與末級(jí)過(guò)熱器之間管道上。末級(jí)過(guò)熱器共81排，每排四根入口管子，呈“W”布置，管材用鋼入口側(cè)為T23（ø51×6.5），出口側(cè)外兩圈為T91（ø51×7.0），內(nèi)兩圈為T23（ø51×7.0）。自2012年下半

3、年以來(lái)連續(xù)發(fā)生三次末過(guò)爆管事故，造成很大經(jīng)濟(jì)損失。二、爆管事故概況2.1 三次事故統(tǒng)計(jì)爐號(hào)時(shí)間爆口位置（末級(jí)過(guò)熱器入口）爆管材質(zhì)爆口特征二級(jí)減溫水投入時(shí)主蒸汽流量（t/h）#4冷態(tài)開(kāi)機(jī)6天東數(shù)41排南數(shù)第2根T23長(zhǎng)期過(guò)熱173（負(fù)荷21MW）#5冷態(tài)開(kāi)機(jī)2天東數(shù)42排南數(shù)第3根T23短時(shí)過(guò)熱96（負(fù)荷46MW）#4冷態(tài)開(kāi)機(jī)2天東數(shù)42排南數(shù)第3根T23短時(shí)過(guò)熱144（負(fù)荷29MW）三次泄漏事件共性點(diǎn)分析（1）均發(fā)生在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)各項(xiàng)參數(shù)正常后的幾天內(nèi)。（2）爆口均發(fā)生在末級(jí)過(guò)熱器入口三通正下方管排（東數(shù)第41、42排）南數(shù)第2或第3根，距離下彎頭不遠(yuǎn)處。（3）調(diào)取大量冷態(tài)啟動(dòng)歷史曲線，發(fā)現(xiàn)級(jí)

4、減溫水均在主蒸汽流量（負(fù)荷）較低時(shí)投入。（4）管壁溫度未現(xiàn)異常。#5爐（2012年10月26日）末級(jí)過(guò)熱器爆口及爆口邊緣處金相組織400×三、事故可能原因分析3.1 水塞過(guò)熱鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)前或啟動(dòng)過(guò)程中，可能因各種原因造成末過(guò)入口的管束內(nèi)存有積水而形成水塞。水塞的顯著特點(diǎn)：（1）管內(nèi)介質(zhì)流通停滯，當(dāng)此處煙溫達(dá)到管材允許極限將很快發(fā)生爆管。一般爆管發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)初期十幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。（2）過(guò)熱器管束管壁溫度急劇上升，隨著流量增加及流速增快，個(gè)別管子水塞被沖開(kāi)，則管壁溫度會(huì)急劇下降。（3）爆口的破口形狀、顏色和金屬組織具有短時(shí)大幅超溫特征。2013年3月19日#4爐開(kāi)機(jī)歷史曲線調(diào)取2013年3

5、月19日#4爐開(kāi)機(jī)歷史曲線，3月20日2時(shí)45分，級(jí)減溫器出口溫度突然由390下降至340。分析認(rèn)為：一是減溫水隔絕門、調(diào)整門在給水管道平臺(tái)，距離爐頂大包級(jí)減溫聯(lián)箱35米遠(yuǎn)，由于自身存在漏量，在減溫水隔絕門后管道內(nèi)逐漸積存大量溫度較低的冷卻水；二是當(dāng)開(kāi)啟嚴(yán)密性差的截門或調(diào)門時(shí)，管道中存在的這部分水會(huì)突然進(jìn)入減溫器聯(lián)箱，造成減溫器出口溫度瞬間降低。減溫水的短暫涌入，并不能說(shuō)明在末過(guò)入口一定形成了水塞。這幾次爆管均發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)幾天以后，在這之前末過(guò)入口煙溫多次大大超過(guò)管材允許使用溫度極限，如果發(fā)生水塞，不可能堅(jiān)持這么長(zhǎng)時(shí)間。況且，末過(guò)入口管壁溫度并未出現(xiàn)異常，說(shuō)明水并沒(méi)有涌入管屏，否則管壁溫度肯

6、定有所反應(yīng)。因此發(fā)生水塞爆管的可能性不大。備注：2012年6月對(duì)#5爐級(jí)減溫聯(lián)器進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查未見(jiàn)異常。3.2 氧化皮脫落堵塞過(guò)熱鍋爐金屬管在高溫水蒸汽環(huán)境下產(chǎn)生氧化皮屬于正常現(xiàn)象。氧化皮由Fe3O4、Fe2O3、FeO三部分組成，由于管子金屬材料的線膨脹系數(shù)比氧化皮線膨脹系數(shù)大得多，當(dāng)氧化層達(dá)到一定厚度的臨界值或溫度變化幅度大，速度快，頻率高時(shí)就會(huì)發(fā)生脫落。由于在啟停爐時(shí)過(guò)熱器或再熱器內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生很大的脹差而脫落，最終導(dǎo)致過(guò)熱器或再熱器爆管的問(wèn)題在超(超)臨界機(jī)組中比較常見(jiàn) 。根據(jù)有關(guān)資料表明，T23鋼管在運(yùn)行3萬(wàn)h后就會(huì)出現(xiàn)氧化皮并脫落，我廠#4、5爐運(yùn)行超過(guò)3萬(wàn)小時(shí)，并已經(jīng)在管子內(nèi)部發(fā)

7、現(xiàn)氧化皮形成現(xiàn)象。如果是氧化皮脫落在下彎頭積存，則能很好解釋這幾次爆管事故，但是經(jīng)過(guò)對(duì)未爆管割管檢查、射線拍片檢查均未發(fā)現(xiàn)氧化皮存積現(xiàn)象。3.3 其它原因3.3.1“三通效應(yīng)”造成末過(guò)入口介質(zhì)分布不均，第41、42排蒸汽流量過(guò)小。通過(guò)調(diào)取大量開(kāi)機(jī)曲線，在鍋爐啟動(dòng)初期，第41排管壁溫度均大大低于兩側(cè)其它管壁溫度，隨著流量增加，這種偏差很快減小。這說(shuō)明：在鍋爐啟動(dòng)初期，正對(duì)著后屏過(guò)熱器至末過(guò)入口聯(lián)箱連接管進(jìn)口的第41、42排管子里面的介質(zhì)流量大于其它管子。隨著蒸汽流量加大，蒸汽在各管子內(nèi)的流量趨于平均；再則，假如運(yùn)行中流動(dòng)介質(zhì)發(fā)生二次渦流現(xiàn)象，存在“三通效應(yīng)”，則對(duì)著三通的管子將普遍存在長(zhǎng)期超溫失

8、效問(wèn)題，但對(duì)臨近管子機(jī)械性能試驗(yàn)顯示，管子性能良好。其它電廠發(fā)生了由于“三通效應(yīng)”發(fā)生爆管的事例，相關(guān)專家也發(fā)表了有關(guān)論文。但是發(fā)生事故電廠末過(guò)三通是“”型，并且在168小時(shí)試運(yùn)期間就連續(xù)爆管，所爆夾持管布置在三通中部側(cè)母線，而這個(gè)位置的支管介質(zhì)最少，所以發(fā)生爆管。而我廠三通設(shè)計(jì)顯然考慮了“三通效應(yīng)”的二次渦流影響，采取了下部“內(nèi)凹”型，支管布置在正母線兩側(cè)45°范圍內(nèi)。綜上分析，由于管子“三通效應(yīng)”存在吸熱介質(zhì)過(guò)少的問(wèn)題可能性很小。 3.3.2 聯(lián)箱內(nèi)有異物（1）從開(kāi)機(jī)曲線來(lái)看，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)中間管排管壁溫高于其它管子的依據(jù)，反而是低于其它管壁溫度。（2）#4、5爐均在一個(gè)位置發(fā)生爆管

9、，如果有異物的話，不會(huì)如此的巧合。因此聯(lián)箱內(nèi)有異物的可能性不大，在#5機(jī)組檢修時(shí)對(duì)末過(guò)入口聯(lián)箱進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查證實(shí)了這一點(diǎn)。3.3.3 管子材質(zhì)問(wèn)題經(jīng)山東電力研究院對(duì)爆口以外的管子、新管子進(jìn)行金相分析和力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)試均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且T23鋼綜合性能要好于鋼102，所以管子材質(zhì)有問(wèn)題證據(jù)也不充分。四、最接近事件真相的可能結(jié)合末過(guò)系統(tǒng)實(shí)際布置情況，并對(duì)圖紙、歷史曲線仔細(xì)分析，我們認(rèn)為還是氧化皮脫落造成了這三次事故。理由如下：（1）末過(guò)管子內(nèi)壁已經(jīng)產(chǎn)生氧化皮，并且達(dá)到了一定厚度（T23管比T91管嚴(yán)重），具備了脫落的條件之一。2012年10月#5爐泄漏，管子內(nèi)部氧化皮“鼓包”情況（T23）（2）

10、鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)采取的是等離子點(diǎn)火直接投粉的方式，等離子能量比較油槍點(diǎn)火能量小得多，前期燃燒強(qiáng)度和穩(wěn)定很難操控，需要提前投入減溫水來(lái)控制汽溫升速率。這種操作，雖然溫升率和升壓率不會(huì)超標(biāo)，但煙溫和二級(jí)減溫器出口汽溫溫升速率很大，造成管子壁溫變化較大，容易造成氧化皮脫落。（3）在主蒸汽流量較小時(shí)投入級(jí)減溫水，此時(shí)減溫水溫度與后屏過(guò)熱器出口汽溫溫差很大，又由于級(jí)減溫器噴口距離末過(guò)入口很近，如果低溫減溫水噴入后無(wú)法完全吸熱變?yōu)檎羝?，就很容易造成未汽化的減溫水以無(wú)數(shù)細(xì)小水滴的形式與蒸汽一起進(jìn)入末過(guò)入口聯(lián)箱。2012年7月13日#4爐啟動(dòng)初期高加出口水溫及級(jí)減溫器出口汽溫從上圖看到，2012年7月13日04:

11、54:56，級(jí)減溫器出口汽溫508，減溫水量3.2T/h，減溫水溫卻只有84，溫差達(dá)到424.2013年4月19日#5爐冷態(tài)啟動(dòng)初期高加出口水溫及級(jí)減溫器出口汽溫從上圖看到，2013年4月19日05:25:50，負(fù)荷18MW，主汽流量81T/h，級(jí)減溫器出口汽溫470，減溫水量2.5T/h，減溫水溫118，溫差達(dá)到352.從下圖看出，末過(guò)入口三通下部結(jié)構(gòu)成“凹”形，東數(shù)40、41、42排南數(shù)第2、3根管子布置在最低部。因?yàn)樗蔚闹囟却螅瑧T性也大，很大部分水滴隨著蒸汽直接進(jìn)入這些正對(duì)末過(guò)入口三通下部的最低部管子。當(dāng)這些水滴濺在垂直高溫管段的內(nèi)壁時(shí)迅速吸熱變?yōu)檎羝?，造成該部位的溫度急冷急熱，又由?/p>

12、水變?yōu)檎羝w積急劇膨脹，伴有很大響聲，對(duì)此處的氧化皮特別是“鼓包”部位產(chǎn)生劇烈激振作用，最終造成大量細(xì)碎氧化皮迅速脫落。對(duì)以下現(xiàn)象進(jìn)一步解釋： （1）為何其它管子未發(fā)現(xiàn)氧化皮？由于低溫度減溫水以無(wú)數(shù)細(xì)小水滴的形式首先進(jìn)入三通中間最下部管子，只有較少部分進(jìn)入了旁邊的管子，其它管子雖然有氧化皮生成現(xiàn)象，但因?yàn)槔鄯e運(yùn)行時(shí)間短遠(yuǎn)未達(dá)到大量脫落的地步，就是有少量脫落，隨著蒸汽流量增加也被及時(shí)帶走，這解釋了為何其它管子未發(fā)現(xiàn)氧化皮的原因。(2)爆管壁溫未見(jiàn)異常？一則管壁溫度測(cè)點(diǎn)布置在爐頂外側(cè)大包內(nèi)，距離末過(guò)下彎頭將近12米，并且在如此大的尾部煙道斷面內(nèi)，分布在爐頂處的煙溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于下彎頭處，管壁溫度不僅受到

13、蒸汽溫度影響，還要受到煙溫影響，所以很難實(shí)時(shí)反映超溫部位的實(shí)際情況。我廠與同類型機(jī)組的萊城電廠分別在末過(guò)爐管出入口增加了溫度測(cè)點(diǎn)，調(diào)取爆管歷史參數(shù)，壁溫均未發(fā)現(xiàn)明顯異常；二則在鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火初期，低溫減溫水投入時(shí)，因?yàn)檫M(jìn)入管道的是無(wú)數(shù)的細(xì)小水滴，它濺在末過(guò)入口高溫管子內(nèi)壁后迅速蒸發(fā)，造成管子內(nèi)壁不斷發(fā)生忽冷忽熱變化，而外管壁溫度不會(huì)發(fā)生明顯異常。結(jié)論：通過(guò)以上綜合分析，我廠#4、5機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)后鍋爐末過(guò)發(fā)生三次爆管原因是在特殊條件下氧化皮提前脫落造成的：爐號(hào)時(shí)間爆口位置（末過(guò)入口）原因#4冷態(tài)開(kāi)機(jī)6天東數(shù)41排南數(shù)第2根較多氧化皮脫落，存積厚度雖未超過(guò)限值，但引起管子處于過(guò)熱狀態(tài)。#5冷態(tài)開(kāi)機(jī)2

14、天東數(shù)42排南數(shù)第3根大量氧化皮脫落，存積厚度很快超過(guò)限值引起管子過(guò)熱。#4冷態(tài)開(kāi)機(jī)2天東數(shù)42排南數(shù)第3根大量氧化皮脫落，存積厚度很快超過(guò)限值引起管子過(guò)熱。（1）末過(guò)管子內(nèi)壁已經(jīng)產(chǎn)生氧化皮并且達(dá)到了一定厚度。（2）鍋爐啟動(dòng)初期蒸汽流量小，低溫度級(jí)減溫水噴入后無(wú)法完全吸熱變?yōu)檎羝纬蔁o(wú)數(shù)的細(xì)小水滴，它們絕大部分隨著蒸汽進(jìn)入末過(guò)入口聯(lián)箱三通下部第40、41、42排（南數(shù)第2、3根）管子，造成內(nèi)壁管子溫度急冷急熱，導(dǎo)致了個(gè)別管子的氧化皮很快大量脫落。又由于啟動(dòng)初期蒸汽流量小，不能迅速將剝落的氧化皮帶走，等到大流量時(shí)，已經(jīng)在管徑較小的彎頭處形成堵塞，最終造成管壁超溫過(guò)熱。鍋爐正常運(yùn)行工況下，末過(guò)中

15、間管排下彎頭部位熱負(fù)荷最高，管子在此位置首先發(fā)生爆破。這是發(fā)生三次爆管事故的直接原因。五、預(yù)防措施氧化皮是金屬在高溫水汽中發(fā)生氧化的結(jié)果，它的生成速度與溫度、介質(zhì)中氧的分壓等因素有關(guān)，它的剝離與機(jī)組采用材質(zhì)、鍋爐燃燒工況、機(jī)組啟停速率等因素有關(guān)。高參數(shù)大容量機(jī)組爐管氧化皮生成與脫落是一個(gè)不可避免的現(xiàn)象，我們只能采取措施延緩氧化皮的生成速度，避免氧化皮突然脫落造成的危害。針對(duì)#4、5鍋爐末過(guò)現(xiàn)階段經(jīng)常爆管提出如下針對(duì)性措施:5.1 電廠方面(1)鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)，最好先對(duì)爐子投油預(yù)熱，以利于運(yùn)行人員控制好燃燒工況。升溫升壓過(guò)程中，運(yùn)行人員在嚴(yán)格按照規(guī)程控制好溫升率、升壓率的同時(shí)，也要高度重視各部煙溫和I、級(jí)減溫器出口汽溫變化速率的控制。(2)冷態(tài)啟動(dòng)中需投入減溫水時(shí)要精心的加以調(diào)整，先投I級(jí)減溫水，在負(fù)荷60MW之前盡可能不投級(jí)減溫水。(3)提高檢修質(zhì)量，保證減溫水前后截門和調(diào)門的嚴(yán)密性。在投入前，先對(duì)減溫水管道充分疏水暖管，防止冷水突然進(jìn)入減溫器，引起蒸汽和管壁溫度劇烈變化。(4)定