陳文衛(wèi),胡振輝,俞 玲,曾 璐

(1.湖北能源集團(tuán)鄂州發(fā)電有限公司，湖北 鄂州 436032；2.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

0 引言

根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在引起我國大中型火電廠非停的所有事故當(dāng)中，因鍋爐事故導(dǎo)致的比例占70%左右，而“四管”（過熱器，再熱器，省煤器，水冷壁）泄漏導(dǎo)致機(jī)組非停的次數(shù)占鍋爐事故的60%～70%左右[1-2]。因此，火電廠鍋爐受熱面泄漏問題已成為威脅發(fā)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和安全生產(chǎn)的重要影響因素，充分了解其產(chǎn)生的原因和掌握控制“四管”泄漏發(fā)生的措施顯得極為重要。

1 “四管”泄漏原因分析

通過對火電廠鍋爐受熱面爆管事故類文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)和總結(jié)[3-7]，引起“四管”泄漏主要原因有：受熱面超溫、氧化皮的產(chǎn)生與脫落、受熱面的磨損、化學(xué)及應(yīng)力腐蝕等。

1.1 受熱面超溫

超溫對鍋爐“四管”的損傷是不可估量的，其分為長時(shí)間超溫和短時(shí)間超溫兩種。長時(shí)間的超溫會使得受熱面產(chǎn)生高溫蠕變，溫度越高，金屬材料的蠕變速度就越快。長時(shí)間超溫的爆口宏觀形態(tài)是：爆口不大，呈未張開境像，在其周圍有眾多平行的軸向裂紋，同時(shí)爆口表面還會有高溫氧化和脫碳現(xiàn)象，并有氧化皮產(chǎn)生（圖1）。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，再熱器爆管的事故中約有70%是由于長時(shí)間超溫產(chǎn)生的[3]。

圖1 長時(shí)間超溫爆口Fig.1 Long time overtemperature detonation

短時(shí)間的超溫，特別是反復(fù)的短時(shí)間超溫，極容易使得超溫的管壁處產(chǎn)生應(yīng)力疲勞，最終導(dǎo)致該處的受熱面發(fā)生爆管。短時(shí)間超溫的爆口宏觀形態(tài)是（圖2）：爆口完全張開，呈撕裂狀，其邊緣變薄且光滑，爆口附近的管子有一定的變粗且其外壁呈藍(lán)黑色。

圖2 短時(shí)間超溫爆口Fig.2 Short time overtemperature detonation

1.2 氧化皮的產(chǎn)生與脫落

在600 MW和1 000 MW的大中型火電廠的鍋爐中，主再蒸汽溫度很容易達(dá)到和超過570℃，這使得氧化皮的生成不可避免（圖3）。根據(jù)相關(guān)的研究表明，受熱面金屬所處的溫度越高、內(nèi)部流動工質(zhì)中氧的成分越高，氧化皮的生成速度就越快。早在1980年代，相關(guān)人員就對T91金屬的抗氧化性進(jìn)行了大量的研究[7]，如圖4所示。

圖3 氧化皮的形狀Fig.3 The shape of the oxide skin

圖4 T 91蒸汽氧化特性曲線Fig.4 The curve of steam oxidation of T 91

氧化皮的脫落主要與其厚度、溫度變化幅度以及速率有關(guān)。據(jù)相關(guān)研究表明，溫度變化幅度越大、變化速度越快、氧化皮越厚，則氧化皮越易剝落[7]。脫落的氧化皮最終會在受熱面管道的U型彎的底部集聚，使得過熱器流通截面變小，最后導(dǎo)致受熱面過熱曝管。

1.3 受熱面磨損

在火電廠鍋爐中，因磨損而造成受熱面泄漏占總體泄漏量的37.5%，是所有因素中最高的[3]。受熱面磨損的爆口宏觀形態(tài)（圖5）：爆口邊緣呈不規(guī)則形狀且其附近明顯變薄，金屬組織無變化，屬于韌性破裂。容易造成受熱面磨損的因素有：煙氣和飛灰的沖刷磨損、焦塊和結(jié)渣的下落磨損、吹灰器的吹掃磨損以及燃燒器的對沖與卷吸磨損。

圖5 磨損爆口Fig.5 The tear attrition

當(dāng)煙氣通過受熱面時(shí)，煙氣中攜帶的各種顆粒將以一定速度沖擊受熱面，造成被沖擊位置磨損減薄，隨著時(shí)間的積累，最終破裂。定期吹灰可以避免鍋爐四管受熱面積灰，提高鍋爐換熱效率。但吹灰器運(yùn)用不當(dāng)也會導(dǎo)致受熱面磨損或者結(jié)焦，最終導(dǎo)致爆管。如吹灰器退出故障，長時(shí)間對某處進(jìn)行吹掃，容易磨損該處受熱面；吹灰器疏水不夠徹底導(dǎo)致含有大量水分的蒸汽沖刷受熱面，使其產(chǎn)生熱應(yīng)力疲勞，最終曝管；吹灰器布置不當(dāng)或者遺漏布置，導(dǎo)致某處不能進(jìn)行正常吹灰，使得該處的積灰和結(jié)焦現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致曝管。

燃燒器對沖布置的鍋爐，如果配風(fēng)不合理的話，很容易在燃燒器的附近產(chǎn)生磨損和超溫腐蝕：當(dāng)一側(cè)燃燒器的一次風(fēng)壓過大時(shí)，對沖的煤粉混合物會在碰撞后沖向壓力較低的一面，從而使得煤粉沖刷該處的水冷壁并在其附近燃燒；當(dāng)一次風(fēng)壓較低時(shí)，對沖后的高溫?zé)煔鈺谌紵鞯母浇纬梢粋€(gè)高溫的卷吸區(qū)，最終導(dǎo)致燃燒器的附近的水冷壁因高溫腐蝕而爆管。

1.4 化學(xué)及應(yīng)力腐蝕

根據(jù)受熱面的不同位置，化學(xué)腐蝕分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕兩種。內(nèi)腐蝕是指受熱面內(nèi)壁處的腐蝕，它是由受熱面內(nèi)部流動工質(zhì)品質(zhì)不合格引起的，一般都是由鍋爐給水品質(zhì)控制不當(dāng)引起的，其中給水中的含氧量和PH值不合格影響最大。這種爆管處的特征是受熱面內(nèi)壁有坑坑洼洼、薄厚不均（圖6），最終在腐蝕最厲害處爆口。外腐蝕是指受熱面靠近爐膛側(cè)的腐蝕。該側(cè)接觸的物質(zhì)比較復(fù)雜，有煙氣、煤粉顆粒、飛灰以及燃煤燃燒后產(chǎn)生的一些硫化物、鐵硫化物、氯化物等等。當(dāng)一些灰渣或酸堿性物質(zhì)貼附在受熱面表層后，在高溫的作用下會產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，使得金屬表面發(fā)生腐蝕而凹凸不平，最后會因受熱不均而產(chǎn)生爆管（圖7）。

圖6 內(nèi)腐蝕管壁Fig.6 T he corrosion tube wall

圖7 外腐蝕爆口Fig.7 External corrosion detonation

圖8 應(yīng)力腐蝕爆口Fig.8 The stress corrosion detonation

應(yīng)力腐蝕是指受熱面材料在特定的環(huán)境中反復(fù)多次受到拉縮應(yīng)力作用，最終達(dá)到和超過金屬承載能力后而產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂。產(chǎn)生原因有受熱面處汽溫、煙溫大幅度的快速增降；因風(fēng)煙控制不當(dāng)導(dǎo)致受熱面管道的振動等。應(yīng)力腐蝕曝管處金屬表面大部分未遭破壞，只有細(xì)裂紋穿透受熱面管道，多數(shù)是沿晶分布，附近受熱面管道的力學(xué)性能仍保持完好（圖8）。

2 “四管”泄漏控制措施

2.1 技術(shù)方面

1)受熱面超溫控制

運(yùn)行人員控制方式：機(jī)組啟動過程中，特別是干濕態(tài)轉(zhuǎn)換階段，及時(shí)地調(diào)整燃燒工況、控制給水流量，防止鍋爐在干濕態(tài)間頻繁變換；避免出現(xiàn)受熱面壁溫局部過熱，控制好鍋爐的升溫升壓速度，減小各受熱面的溫度梯度，同時(shí)控制好水煤比和合理的過熱度；在機(jī)組協(xié)調(diào)模式下要關(guān)注燃料、給水的自動配合情況，防止因?yàn)楦櫜患皶r(shí)而出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

維護(hù)人員控制方式：完善和優(yōu)化給水與過熱度、燃料的自動控制系統(tǒng)，使其滿足在各種工況下能夠快速、更好的自動調(diào)整；經(jīng)常校驗(yàn)和檢測風(fēng)煙系統(tǒng)相關(guān)的測點(diǎn)是否正常，對容易出現(xiàn)故障的氧量、總風(fēng)量等關(guān)鍵測點(diǎn)要及時(shí)的進(jìn)行消缺和優(yōu)化，令其能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)燃燒的實(shí)際參數(shù)；對鍋爐受熱面有超溫現(xiàn)象的管壁進(jìn)行跟蹤檢查，排查各個(gè)受熱面的溫度測點(diǎn)是否布置齊全和恰當(dāng)，以便運(yùn)行人員更好、全面的監(jiān)視受熱面各處溫度情況；提高整個(gè)機(jī)組各輔機(jī)的自動投入率和優(yōu)化其調(diào)節(jié)性能，在最大的程度上防止因人為手動操作不當(dāng)而使機(jī)組參數(shù)產(chǎn)生劇烈的波動和停機(jī)。

2)氧化皮的控制

“減緩生成、控制剝落、加強(qiáng)檢查、及時(shí)清理與換管[7]”是目前對預(yù)防和控制氧化皮產(chǎn)生與脫落問題的一個(gè)重要技術(shù)路線。

運(yùn)行監(jiān)視方面的控制措施主要是“減緩生成、控制剝落”，具體手段為：在機(jī)組啟停和事故處理中，嚴(yán)格按照規(guī)程中規(guī)定的汽溫、汽壓升降速率進(jìn)行；在機(jī)組啟動過程中要充分發(fā)揮冷、熱態(tài)沖洗作用，嚴(yán)格控制沖洗水品質(zhì)，在氧化皮產(chǎn)生較多情況下要利用旁路系統(tǒng)的作用進(jìn)行過熱器、再熱器等受熱面清洗，使得蒸汽段氧化皮被沖洗干凈；在鍋爐燃燒調(diào)整時(shí)要嚴(yán)格控制汽溫、汽壓變化速率，防止發(fā)生蒸汽參數(shù)反復(fù)劇烈變化的工況，特別是在大幅度調(diào)峰和事故處理時(shí)，更應(yīng)該注意到這一點(diǎn)。

檢修維護(hù)方面的控制措施主要是“加強(qiáng)檢查、及時(shí)清理與換管”，具體手段為：對于要停爐3天以上的時(shí)間，要做出有針對性的檢查項(xiàng)目。根據(jù)蒸汽段溫度的監(jiān)視情況，對容易超溫的管道和過熱器U型彎頭處進(jìn)行著重檢查。檢查手段包括拍片檢查受熱面管道內(nèi)部氧化皮的堆積情況、測量分析氧化皮的厚度、利用內(nèi)窺鏡查看氧化皮的脫落情況等。對于發(fā)現(xiàn)受熱面管道有變色等異常情況時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行割管檢查并更換。

3)受熱面磨損的控制

嚴(yán)格控制煤粉的細(xì)度，定期進(jìn)行煤粉細(xì)度的檢測；合理啟動和分配底層、中層及上層磨煤機(jī)的運(yùn)行情況，防止?fàn)t膛內(nèi)火焰中心位置上移；合理布置吹灰器的個(gè)數(shù)和設(shè)置其吹灰蒸汽參數(shù)。吹灰區(qū)域要能夠完全覆蓋結(jié)焦部位，并根據(jù)實(shí)際結(jié)焦部位和程度來增減吹灰器的個(gè)數(shù)以及調(diào)整吹灰曲線、強(qiáng)度（包括時(shí)間、流量、壓力）。運(yùn)行過程中更要確保鍋爐吹灰系統(tǒng)的正常投入，有效清除受熱面結(jié)焦；若發(fā)現(xiàn)吹灰器投退異常應(yīng)及時(shí)聯(lián)系檢修班現(xiàn)場處理。經(jīng)常出現(xiàn)爐膛結(jié)焦和垮焦時(shí)，要嚴(yán)格遵守吹灰操作規(guī)定并根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加吹灰次數(shù)。

根據(jù)鍋爐的設(shè)計(jì)以及燃燒器的特性，通過試驗(yàn)的方式來合理分配熱一次風(fēng)、二次風(fēng)以及三次風(fēng)的強(qiáng)度，避免燃燒的煤粉被卷吸沖刷燃燒器附近的水冷壁。

4)化學(xué)及應(yīng)力腐蝕控制

內(nèi)腐蝕的控制，體現(xiàn)在要嚴(yán)格控制給水和蒸汽的品質(zhì)，特別是在鍋爐的啟動過程中，要嚴(yán)格進(jìn)行冷、熱態(tài)沖洗；運(yùn)行過程中，要定期對給水、蒸汽的品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)有不合格的水質(zhì)和蒸汽時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理；機(jī)組停運(yùn)后要及時(shí)進(jìn)行停爐保養(yǎng)工作。外腐蝕的控制主要體現(xiàn)在：盡量優(yōu)先采購與鍋爐設(shè)計(jì)煤種相接近的燃煤，少用含還原性元素較高的煤種；合理控制煤粉的細(xì)度；嚴(yán)格執(zhí)行吹灰操作規(guī)定。

應(yīng)力腐蝕的控制措施：運(yùn)行過程中，注意參數(shù)的變化率，嚴(yán)禁有超參數(shù)、超幅度的調(diào)整操作；避免因風(fēng)煙、飛灰控制不當(dāng)造成受熱面的機(jī)械振動；盡量減少受熱面之間的熱偏差；適當(dāng)?shù)靥岣叽祷艺羝膮?shù)，減小吹灰蒸汽對受熱面的熱沖擊；停爐后及時(shí)對受熱面進(jìn)行外觀檢查，對那些因應(yīng)力集中而出現(xiàn)疲勞的區(qū)域進(jìn)行整改，以消除隱患。

2.2 管理方面

雖然火電廠鍋爐的“防爆”工作非常難做，但是國內(nèi)也有一些如華北地區(qū)的衡豐、灤河、秦皇島等電廠在這方面做得比較好的廠家。借鑒他們的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)起來大概有以下幾點(diǎn)：

1）不斷完善的工作制度和標(biāo)準(zhǔn)體系

隨著時(shí)代的發(fā)展和社會的進(jìn)步，管理與技術(shù)也在不斷地發(fā)展和提升，因此每個(gè)電廠都應(yīng)該根據(jù)本廠設(shè)備的特性不斷地制定、完善、細(xì)化相應(yīng)的制度、標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)規(guī)程，并且要形成一套完整有效的體系，只有這樣才能使得運(yùn)行與維護(hù)人員有章可循。

2）組建合格的專業(yè)隊(duì)伍

機(jī)組發(fā)生“四管”泄漏涉及到金屬材料、化學(xué)、熱工等多個(gè)專業(yè)的知識，更涉及到設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行和維護(hù)等多個(gè)單位之間的配合問題?！八墓堋狈辣ぷ鞑坏珜I(yè)性很強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)性也非常強(qiáng)。所以在鍋爐的防爆工作上，應(yīng)該成立一支專班小組，并形成一整套與本廠相對應(yīng)的具體做法，然后嚴(yán)格地執(zhí)行。同時(shí)，應(yīng)該固定相關(guān)的技術(shù)人員，并對其進(jìn)行相關(guān)專業(yè)的培訓(xùn)，使其專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以在本廠得到傳承。

3）建立和健全設(shè)備的技術(shù)檔案

即使是同一型號的兩臺鍋爐設(shè)備，它們出現(xiàn)的問題也會是不一樣的。因此應(yīng)該根據(jù)每臺鍋爐建立一套完整的“四管”泄漏專項(xiàng)檔案，對于每次出現(xiàn)泄漏的部位、爆口照片、爆口金相分析的結(jié)果、爆管的最終原因和防治措施都要有詳細(xì)的記錄，對于不明爆管原因的事故，要做到持續(xù)跟蹤調(diào)查，直至查明原因。

4）發(fā)揮主動性，不斷創(chuàng)新工作方式

“四管”防爆工作雖然很難做深、做實(shí)、做全，但相關(guān)的工作人員應(yīng)該發(fā)揮自己的主動性、不斷地創(chuàng)新工作方式：比如去這方面做得比較好的電廠“取經(jīng)”，并把學(xué)到的東西帶回來，然后加以吸收和轉(zhuǎn)化并形成一套與自身電廠相結(jié)合的“四管”防爆機(jī)制；又如，以一群經(jīng)驗(yàn)豐富的人員成立一個(gè)“四管”防爆小組，并在人員技術(shù)培訓(xùn)和設(shè)備治理方面得到管理層的大力支持，最后制定一套詳細(xì)、規(guī)范的維護(hù)檢查規(guī)章制度。

3 結(jié)語

預(yù)防和治理鍋爐“四管”泄漏問題是一個(gè)復(fù)雜和繁瑣的過程，它的建立和完善需要長時(shí)間的努力和不斷地積累。在管理層方面它需要公司各個(gè)部門通力協(xié)作和大力支持；在技術(shù)手段方面，它需要重視人員的培訓(xùn)和技術(shù)的交流；在規(guī)章制度方面，需要不斷地完善和細(xì)化。只有做到這些，才能夠把“四管”泄漏的問題降到最低程度。

[1] 佟鵬,安連鎖,姜根山,等.鍋爐“四管”泄漏參數(shù)比較分析[J].鍋爐技術(shù)，2009，40(2)：60-62.TONG Peng,AN Liansuo,JIANG Genshan,et al.Comparation and analysis on leakage parameters of“four tubes”of boiler[J].Boiler Technology，2009，40(2)：60-62.

[2] 石榮雪,張適宜,張勝寒.基于大數(shù)據(jù)分析的電廠鍋爐水冷壁失效研究[J].化工進(jìn)展，2016，35(9)：2640-2645.SHI Rongxue,ZHANG Shiyi,ZHANG Shenghan.Failure investigation on boiler water wall tubes in power plant by large data analysis[J].Chemical Industry and Engineering Progress，2016，35(9)：2640-2645.

[3] 沈美華,祝新偉,潘金平.電站鍋爐熱管常見泄漏原因及主要特征[J].理化檢驗(yàn)物理分冊，2013，49(8)：533-537.SHEN Meihua,ZHU Xinwei,PAN Jinping,et al.Causes and characteristics for frequent tube blasting of utility boiler[J].PTCA(PARTA：Phys Test),2013,49(8)：533-537.

[4] 趙慧傳,賈建民,陳吉剛,等.超臨界鍋爐末級過熱器爆管原因的分析[J].電力工程學(xué)報(bào),2011,31(1)：69-74.ZHAO Huichuan,JIA Jianmin,CHEN Jigang,et al.Burst cause analysis of final-stage superheater tubes for a supercritical boiler[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering,2011,31(1)：69-74.

[5] 施萬森.鍋爐受熱面高溫腐蝕及預(yù)防措施[J].能源與節(jié)能,2012(9)：11-12.SHI Wansen.High temperature corrosion of heating surface in boiler and its preventive measures[J].Energy and Energy Conservation,2012(9)：11-12.

[6] 祝毅,楊寧,徐耀良,等.600 MW超臨界鍋爐過熱器爆管原因及改進(jìn)措施[J].華東電力,2011,39(8)：1340-1342.ZHU Yi，YANG Ning,XU Yaoliang,et al.Cause analysis and improvement measures on heater tube cracking of 600 MW supercritical boiler[J].East China Electric Power,2011,39(8)：1340-1342.

[7] 謝建文,孫平,李濤,等.基于氧化膜生成速度和剝落厚度的600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器安全性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(26)：32-37.XIE Jianwen,SUN Ping,LI Tao,et al.Analysis on safety of high temperature super-heater in 600 MW supercritical boiler based on growth rate and spalling depth of oxidation film[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(26)：32-37.

國家電網(wǎng)公司面向社會各界征集新技術(shù)渠道說明

國家電網(wǎng)公司貫徹落實(shí)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，致力于推動電力新技術(shù)在電網(wǎng)建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)營中的推廣應(yīng)用工作?，F(xiàn)誠邀社會各界通過新技術(shù)征集平臺（國家電網(wǎng)公司電子商務(wù)平臺，http：//ecp.sgcc.com.cn）開展新技術(shù)申報(bào)工作！