孔 蒙 陸麗萍

(兗礦國(guó)泰化工有限公司,山東滕州 277527)

0 引 言

兗礦國(guó)泰化工有限公司于2006年11月施工建設(shè)安裝了UG-260/9.8-M2型高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐,該鍋爐是由無(wú)錫華光鍋爐股份有限公司(無(wú)錫鍋爐廠)制造生產(chǎn),由兗礦集團(tuán)新陸公司承建,天津辰達(dá)監(jiān)理公司監(jiān)理,2007年9試運(yùn)行。以煤為原料,采用燃油床下自動(dòng)點(diǎn)火方式引燃床料,用來(lái)生產(chǎn)蒸汽,260t/h循環(huán)流化床鍋爐膜式水冷壁管設(shè)計(jì)規(guī)格為(左右側(cè)水冷壁管設(shè)計(jì)規(guī)格為:2×82-φ51×5mm,前、后水冷壁管設(shè)計(jì)規(guī)格為:2×109-φ60×5mm,管子材質(zhì)為 20G,水冷屏管子規(guī)格為3×22-φ60× 5mm,管子的材質(zhì)為20G)。工作壓力8.7MPa、溫度510℃,管內(nèi)介質(zhì)為水、飽和蒸汽。自運(yùn)行以來(lái)水冷壁多次發(fā)生泄漏甚至爆管,嚴(yán)重影響了鍋爐的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

1 泄漏狀況與檢修情況

2008年12月23日13時(shí)50分,3#鍋爐解列,處理3#鍋爐尾部煙道右包墻上機(jī)箱漏點(diǎn)。24日開(kāi)啟引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)吹爐膛(因爐膛濕度大),3#鍋爐人口門(mén)打開(kāi),3#鍋爐降溫。25日3#鍋爐尾部煙道搭架子,爐底清渣。26日3#鍋爐爐膛搭架子,尾部煙道砸澆注料。27日3#鍋爐尾部煙道右包墻更換一段管子,28日3#鍋爐焊爐膛里的8根管,夜間給鍋爐探傷。31日水壓實(shí)驗(yàn)合格后重筑澆注料,恢復(fù)運(yùn)行。

2009年2月25日9時(shí)37分3#鍋爐水冷壁爆管緊急停爐,系統(tǒng)生產(chǎn)蒸汽緊張,為維持主裝置生產(chǎn)系統(tǒng)大減量。10時(shí)08分3#鍋爐解列,12時(shí)2#鍋爐點(diǎn)火,17時(shí)50分并汽,18時(shí)系統(tǒng)開(kāi)車。27日清除3#鍋爐爐膛風(fēng)帽底料,并在鍋爐內(nèi)搭架子,檢查鍋爐爆管情況。28日檢查3#鍋爐有10根管出現(xiàn)漏點(diǎn)。檢修情況:3月1日車間員工連夜清渣。1日上午,維修人員割下漏點(diǎn)的管道,給管磨破口。2日下午維修人員補(bǔ)焊水冷壁管的漏點(diǎn)。3日3#鍋爐水冷壁爆管更換管道后進(jìn)行探傷,探傷結(jié)束后給鍋爐充水試壓。7日發(fā)現(xiàn)3#鍋爐爐西南角給煤機(jī)平臺(tái)附近水冷壁有漏點(diǎn),放水、泄壓、補(bǔ)焊,至9日檢修人員連夜給鍋爐噴涂,11日3#鍋爐噴涂完畢,并對(duì)鍋爐內(nèi)拆架子。12日鍋爐檢查風(fēng)帽、鍋爐鋪底料、上水。13日3#鍋爐封人孔,檢修完畢,進(jìn)入開(kāi)車程序。

循環(huán)流化床鍋爐示意圖

2009年5月19日0:14分由于3#鍋爐水冷壁發(fā)生爆管,造成全系統(tǒng)停車。3#鍋爐爆管位置在水冷壁南邊約18m處,爆管一根,破口面積達(dá)40cm2左右,破口處鐵皮呈外卷狀,漏量大,汽液位下降快,緩沖時(shí)間短。此次處理割管3根,并進(jìn)行了補(bǔ)焊,同時(shí)對(duì)爆管處往上10m2左右區(qū)域進(jìn)行砂磨,噴涂耐磨材料。并對(duì)3#鍋爐水冷壁西側(cè)靠拐角處澆鑄料加厚。5月25日21:55分3#鍋爐點(diǎn)火開(kāi)車。此次3#鍋爐點(diǎn)火時(shí)間比原計(jì)劃時(shí)間拖后,其原因是在基本完成了水冷壁漏點(diǎn)的處理后,為了徹底排除鍋爐爐膛內(nèi)其他部位的磨損,又繼續(xù)向上搭腳手架進(jìn)行檢查。

2 泄漏原因分析

2.1 將圖示中Ⅱ處爆管段割掉取樣分析

爆管后對(duì)爆管區(qū)和磨損區(qū)的壁厚進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域部分水冷壁的壁厚已經(jīng)由原來(lái)的5 mm磨損到2.0～2.2mm,個(gè)別水冷壁的壁厚已磨損到最小安全運(yùn)行值1.8mm或1.8mm以下,原因是燃煤粒度不均勻,一次風(fēng)過(guò)大,將密相層上移,導(dǎo)致大顆粒物料長(zhǎng)期沖刷圍燃帶上沿水冷壁管,造成嚴(yán)重磨損。磨損原因除設(shè)計(jì)因素外,還與運(yùn)行工況及各控制參數(shù)有關(guān)。針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐磨損區(qū)域的分布特點(diǎn),結(jié)合多相流體的宏觀動(dòng)力特性進(jìn)行分析可知,循環(huán)流化床鍋爐宏觀流體動(dòng)力特性受床層尺寸、物料進(jìn)出口結(jié)構(gòu)、循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、二次風(fēng)位置等的影響。需要進(jìn)一步調(diào)整爐內(nèi)燃燒工況,使?fàn)t內(nèi)徑向位置的顆粒濃度、顆粒運(yùn)動(dòng)速度等更趨愈合理。上述情況屬于沖蝕磨損。

2.2 圖中Ⅲ所示南北兩側(cè)水冷壁管泄漏的原因

在鍋爐運(yùn)行中,由于對(duì)鍋爐的燃燒特性和設(shè)備的膨脹規(guī)律了解掌握不夠,采用間斷放渣控制料層壓差在指標(biāo)要求范圍之內(nèi)。熱渣的溫度高達(dá)900℃以上,放渣管長(zhǎng)期不斷地反復(fù)熱脹冷縮,久而久之出現(xiàn)了熱疲勞和應(yīng)力損壞,漸漸的下渣口與布風(fēng)板的水冷壁之間出現(xiàn)了裂紋(應(yīng)力不均撕裂焊口)。

2.3 一般鍋爐水冷壁經(jīng)常爆管的原因

由于長(zhǎng)期工作在高溫、高壓及受煙氣腐蝕、磨粒沖蝕的惡劣環(huán)境中,極易產(chǎn)生高溫腐蝕和磨損,使管壁減薄,一般而言,這種減薄速度約在1mm/a,嚴(yán)重的可達(dá)到5～6mm/a,形成安全運(yùn)行的嚴(yán)重隱患。當(dāng)管壁減薄到一定程度承受不住內(nèi)部高溫高壓蒸汽作用時(shí),便會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性爆管事故,造成緊急停爐搶修,不僅打亂了系統(tǒng)的正常生產(chǎn),增加了額外的檢修費(fèi)用,直接影響企業(yè)效益。

由此可見(jiàn),冷卻壁的高溫腐蝕和磨損不僅嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行,同時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,已成為鍋爐安全運(yùn)行中一個(gè)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

水冷壁管高溫腐蝕和磨損

冷卻壁高溫腐蝕和磨損的機(jī)理是很復(fù)雜的。有關(guān)因素為[4]:

①爐膛火焰溫度;②燃煤的含硫量;③煙氣與灰份顆粒的沖蝕。

鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,爐溫可高達(dá)800℃以上,由于燃燒煤中硫及其它有害雜質(zhì)的存在,冷卻壁管普遍遭受高溫腐蝕。參與高溫腐蝕的危害物有燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的SO2、SO3、H2S、HCl、堿金屬鹽及釩鹽類,是多種化學(xué)物在各種溫度下共同對(duì)管壁進(jìn)行的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)腐蝕過(guò)程。其中,硫化物是鍋爐高溫腐蝕的主要因素,一是煙氣中的硫化氫與管壁金屬作用產(chǎn)生的腐蝕,含硫物在金屬高溫下產(chǎn)生單原子硫,硫與管道中的鐵反應(yīng)生成硫化鐵(Fe+S→FeS);二是由不可燃硫在高溫作用下生成硫酸鹽混入灰分熔敷于管壁表面,但不再具有冷卻壁管所要求的各種良好的高溫機(jī)械性能,導(dǎo)致冷卻壁管壁厚的減薄,從而其有效承載能力不斷下降,由此形成腐蝕。另外,高溫?zé)煔夤梢源笥?m/s的速度沖擊管壁,煙氣的腐蝕和灰份顆粒的沖刷在金屬表面交替進(jìn)行,造成管壁減薄。

2.4 水冷壁泄露原因[1-3]:

(1)應(yīng)力損壞:短期過(guò)熱、高溫蠕變、應(yīng)力拉伸撕裂焊口。

(2)沖蝕磨損:煤顆粒沖蝕、結(jié)渣沖蝕、飛灰沖蝕。

(3)檢修質(zhì)量不高,焊接不牢固。

(4)管內(nèi)腐蝕:堿性腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、氫損傷。

(5)管外腐蝕:低溫腐蝕、高溫腐蝕。

(6)疲勞:振動(dòng)疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞。

3 預(yù)防措施

1)更新加固水冷壁在大修時(shí)更換部分磨損水冷壁管段,另外采取耐磨措施將水冷壁管進(jìn)行防磨噴涂。

針對(duì)鍋爐管道提供長(zhǎng)期的保護(hù)。各個(gè)國(guó)家針對(duì)鍋爐的高溫和硫化腐蝕進(jìn)行了大量研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:噴涂金屬涂層是最經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)方法。方案的目標(biāo)是發(fā)展一種涂層,該涂層不剝落、損耗速率小于未保護(hù)鋼管的10%,并且相對(duì)于更換鍋爐管道在經(jīng)濟(jì)上更有效益。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用考核,已獲得了可喜的成績(jī),涂層厚度年平均損失率最好可達(dá)0.025mm,工作壽命可達(dá)5～10a,大大提高了冷卻壁管的使用壽命。循環(huán)式硫化床冷卻壁管高溫腐蝕和嚴(yán)重磨損問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期研究實(shí)驗(yàn),并且廣泛吸收世界鍋爐管道防護(hù)經(jīng)驗(yàn),目前已找到了妥善解決此種問(wèn)題的材料及方法,研發(fā)出超音速電弧噴涂HRC—89鎳鉻鉬高硬耐磨合金或L×88A合金高硬耐磨材料,可使鍋爐管道受熱面的耐磨蝕性能大幅度提高,防腐施工可以在爐膛內(nèi)進(jìn)行,不產(chǎn)生任何環(huán)境污染,具有較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)適用性。我公司鍋爐水冷壁管則噴涂的是鎳鉻合金。

2)調(diào)整輸煤系統(tǒng)破碎機(jī)工作性能,改造震動(dòng)篩孔徑尺寸,為鍋爐提供均勻粒度的原煤。創(chuàng)造條件更換煤種,逐步將東灘煤、興隆莊煤改為鮑店煤,來(lái)減輕顆粒物料對(duì)水冷壁的磨損程度。

3)鍋爐運(yùn)行參數(shù)調(diào)整:

(1)由于水冷壁磨損的沖蝕量和多相流體速度之間存在一定比例關(guān)系。在實(shí)際運(yùn)行中,我們適當(dāng)降低一次風(fēng)量(不低于最小流化風(fēng)量),就可以適當(dāng)減小爐內(nèi)邊界層的顆粒濃度,從而減弱物料對(duì)水冷壁的磨損程度。

(2)同時(shí)我們?cè)龃罅硕物L(fēng)量,這樣不僅增加了物料顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間,減少了物料的揚(yáng)析,而且增大了爐內(nèi)徑向位置的擾動(dòng),改變了爐內(nèi)邊界層顆粒團(tuán)原有的動(dòng)力特性,從而降低了水冷壁的磨損程度;

(3)將料層壓差由8.58.5～9.5kPa降低到7.0～8.5kPa,床溫由850～950℃升至950～1 000℃,從而降低了風(fēng)速,升高了床溫,同時(shí)降低了循環(huán)物料的濃度,有效的減小了磨損速度。

4 操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1)根據(jù)汽水分析數(shù)據(jù)的變化,及時(shí)調(diào)整連續(xù)排放閥開(kāi)度,做好定期排污工作,同時(shí)采用軟化—除氧器—加入中和胺、防腐阻垢劑等方法,控制好鍋爐給水質(zhì)量,確保爐水品質(zhì)良好。

2)將間斷集中大量放渣改為少量、連續(xù)排渣,從而減少了下渣管的熱脹冷縮次數(shù),同時(shí)避免了集中放渣時(shí)下渣口周圍料層出現(xiàn)溝流現(xiàn)象,影響物料的流化和燃燒穩(wěn)定。

3)啟爐、停爐時(shí)嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程操作,控制升溫、降溫速度,尤其是開(kāi)車初期,必須緩慢升溫,床層溫升速度控制在2～3℃/min,爐墻溫升速度控制在105℃/h,從而避免了爐子急劇受熱劇烈膨脹而引起的應(yīng)力損壞,另外風(fēng)室溫度<700℃,防止水冷壁管過(guò)熱。

5 結(jié) 語(yǔ)

采取以上措施后,鍋爐水冷壁在連續(xù)運(yùn)行100d后,停爐檢查,尚未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn),且工況良好。

說(shuō)明預(yù)防措施能夠有效地:①降低由于溫差應(yīng)力引起的焊縫連接失效問(wèn)題;②減輕管內(nèi)腐蝕;③降低疲勞損壞程度,從而減小了水冷壁泄漏爆管的可能性。實(shí)踐證明,采用噴涂防磨、提高檢修、操作技術(shù)完全能夠延長(zhǎng)水冷壁的使用壽命,提高了鍋爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能。

[1] 祁利明,張忠義,田文濤.2號(hào)鍋爐水冷壁爆管事故分析[J].華北電力技術(shù),2007,增刊.

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[3] 張戈.鍋爐水冷壁管的泄漏、爆管原因分析及預(yù)防對(duì)策[J].大化科技,2007:20-22.

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