郭慶峰

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

某煉化公司5#鍋爐于2016年對省煤器進行更換，更換后的運行過程中，上級省煤器出口集箱管接頭經(jīng)常出現(xiàn)漏點，泄漏影響鍋爐負(fù)荷和安全運行，必須停爐后進行處理，鍋爐切換不僅造成經(jīng)濟損失，可能還會影響環(huán)保指標(biāo)。對設(shè)計、安裝、運行等方面進行檢查和分析，根據(jù)分析結(jié)果制定整改計劃并逐步實施，同時，根據(jù)分析和檢查結(jié)果，重新設(shè)計上級省煤器，徹底解決泄漏問題。

1 名詞解釋

（1）省煤器：安裝于鍋爐尾部煙道下部用于回收排煙余熱的一種裝置。將鍋爐給水加熱成汽包壓力下的飽和水的受熱面，由于它吸收高溫?zé)煔獾臒崃?，降低了煙氣的排煙溫度，?jié)省能源、提高效率，因此稱之為省煤器。

（2）省煤器集箱：集箱的作用是混合或者分配汽水工質(zhì)，除氧水由給水管道進入入口集箱內(nèi)，由箱體分配給各省煤器管束，這些管束中的水不斷吸收熱能，匯集到省煤器出口集箱中再通過集中管路流進鍋筒內(nèi)。其中，省煤器集箱上開口焊接大量的小直徑管接頭與受熱面管束相接。

（3）焊接熱影響區(qū)：簡稱HAZ（Heat Affected Zone），在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變化的區(qū)域，稱為焊接熱影響區(qū)（圖1）。

圖1 焊接熱影響區(qū)

按加熱溫度和組織特征，熱影響區(qū)可劃分為過熱區(qū)、正火區(qū)、部分正火區(qū)和再結(jié)晶區(qū)4個區(qū)域。

焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)3個部分組成（圖2）。焊接熱影響區(qū)是指在焊接過程中，母材因受熱影響但未熔化而發(fā)生不均勻的組織分布，因而其性能的分布也必然是不均勻的。特別是熱影響區(qū)的某些部位，由于組織和性能的變化而成為整個焊接接頭的薄弱部位。焊接熱影響區(qū)只是一個較小范圍的局部區(qū)域，一般寬度只有幾毫米。

圖2 焊接接頭

（4）焊接熱處理：在焊接前、焊接過程中或焊接后，將焊件全部或局部加熱到一定溫度，保溫一定的時間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改善焊件的焊接工藝性，消除或降低焊接殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的金相組織和力學(xué)性能的工藝方法。焊接熱處理包括預(yù)熱、后熱和焊后熱處理。常用方法：電加熱和火焰加熱。

2 設(shè)備簡介

5#鍋爐為單鍋筒自然循環(huán)燃油燃氣蒸汽鍋爐，型號為HG-130/3.82-Y1，前部為燃料燃燒室，水平煙道布置兩級過熱器，下行煙道布置省煤器、催化劑和煙氣換熱器（圖3）。鍋爐參數(shù)見表1。

表1 鍋爐參數(shù)

圖3 鍋爐結(jié)構(gòu)

2016年，5#鍋爐脫硝改造將單級省煤器改為兩級省煤器，省煤器設(shè)置進出集箱，省煤器出口集箱規(guī)格為Φ219×12 mm，L=3080 mm，材料20G，1件；管接頭Φ108×8 mm，材料20G，3根；管接頭Φ32×4 mm，材料20G，60根。

5#鍋爐2016年改造至今共計運行約16 100 h，全面檢驗及年度檢驗均未發(fā)現(xiàn)問題，定期進行充氮保護、受熱面清灰、催化劑更換等維護。5#鍋爐維修主要發(fā)生在上級省煤器出口集箱漏點處理問題上。

3 泄漏經(jīng)過及影響

3.1 泄漏經(jīng)過

上級省煤器出口集箱短接頭自2016年12月11日第一次發(fā)生泄漏，截至2017年4月22日共計發(fā)生泄漏24處，2017年5月4—12日對上級省煤器出口集箱進行更換，對省煤器管束處的澆筑料拆除減少管束應(yīng)力，進行組對焊接，全部氬弧焊。2017年6月12日上級省煤器出口集箱（圖4）短接頭又發(fā)生泄漏，截至2020年1月22日共計發(fā)生泄漏16處（圖5）。

圖4 省煤器上集箱

圖5 省煤器漏點

3.2 造成的影響

（1）影響設(shè)備安全運行。一是可能造成汽包水位下降，水位難保持，二是可能造成省煤器側(cè)煙氣溫度差增大，三是如不及時處理，可能吹壞相鄰管束，對設(shè)備造成更大破壞。

（2）影響人身安全。省煤器系統(tǒng)屬于承壓設(shè)備，而且介質(zhì)溫度較高，如泄漏增大或爆管，可能造成人員傷害。

（3）影響公司平穩(wěn)生產(chǎn)。發(fā)生泄漏要進行鍋爐負(fù)荷降低調(diào)整，并及時進行停爐處理，負(fù)荷變化調(diào)整可能影響公司蒸汽正常使用。

（4）造成經(jīng)濟損失。130 t/h鍋爐啟、停過程造成的能耗損失約2萬元，另外，泄漏點也存在能耗損失和處理漏點的維修費用。

4 原因分析及檢查處理情況

4.1 初步分析

省煤器泄漏位置均在集箱和管接頭的焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)域內(nèi)，均為橫向裂紋在相同位置出現(xiàn)重復(fù)開裂。分析導(dǎo)致省煤器短接管頻繁泄漏的可能原因有以下方面：

（1）操作不當(dāng)，運行工藝參數(shù)超標(biāo)。

（2）材料選擇錯誤。

（3）設(shè)計不合理。

（4）安裝質(zhì)量不合格。

（5）過熱。

（6）腐蝕。

（7）受熱應(yīng)力影響。

4.2 根據(jù)原因分析進行檢查

（1）2016年發(fā)生的泄漏，原因排查時首先檢查的是操作記錄和運行參數(shù)曲線，未發(fā)生超溫、超壓和其他操作不當(dāng)現(xiàn)象，近期泄漏排查也沒有類似情況。

（2）設(shè)備經(jīng)過四川特檢院和大慶市三維檢驗監(jiān)測公司檢驗合格，2017年2月17日對省煤器集箱進行材質(zhì)檢測，未發(fā)現(xiàn)有材料問題（圖6）。2017年5月4日更換省煤器集箱，對新到貨集箱材質(zhì)檢驗合格，而且材料選用的是20G高壓鍋爐用無縫鋼管（圖7）。

圖6 省煤器集箱材質(zhì)檢驗

圖7 新省煤器集箱材質(zhì)檢驗

（3）5#鍋爐省煤器由四川鍋爐廠設(shè)計制造，具有專業(yè)鍋爐設(shè)計和制造資質(zhì)，并經(jīng)特種設(shè)備檢驗機構(gòu)檢驗合格。

省煤器集箱泄漏管束與集箱采用承插焊形式，承插焊形成的是角焊縫，承插焊的承口有補強的作用，所以高壓下也多有使用，省煤器管束與集箱的短接管采取對接焊的方式進行連接（圖8）。

圖8 省煤器集箱管焊接處

省煤器安裝完成后進行試運，發(fā)現(xiàn)煙氣換熱溫度不能滿足脫銷工藝要求，設(shè)計單位提議對上級省煤器煙氣入口加裝擋板以調(diào)整換熱面積，擋板加裝后在對上級省煤器支管管壁測溫時，發(fā)現(xiàn)部分管束存在超溫現(xiàn)象，設(shè)計單位技術(shù)人員進行核算分析后，指導(dǎo)對超溫管束進行截斷，集箱截斷短接管進行封堵，共計封堵8組省煤器換熱管束（共30組），換熱面積減少728 m2，才能夠滿足使用要求，同年對省煤器出口集箱進行更換，至今未發(fā)現(xiàn)省煤器管束超溫現(xiàn)象。

封堵的管束由于長時間在煙氣中干燒，現(xiàn)場出現(xiàn)塌陷變形現(xiàn)象，部分翅片變形后插入到相鄰管翅片中（圖9）。

圖9 省煤器管塌陷

（4）省煤器改造后運行時間較短，出口集箱更換后累計運行時間僅為12 300 h。省煤器集箱處多次拆裝保溫，未發(fā)現(xiàn)外部腐蝕現(xiàn)象，大連特檢院在對省煤器集箱全面檢驗也沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。另外，水質(zhì)有車間和質(zhì)檢中心的化驗數(shù)據(jù)監(jiān)督，未出現(xiàn)水質(zhì)不合格的現(xiàn)象，如水質(zhì)腐蝕應(yīng)為點腐蝕或腐蝕減薄，不會出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

（5）對省煤器出口集箱進行更換后，至今未發(fā)現(xiàn)省煤器管束超溫現(xiàn)象。但在省煤器安裝過程中存在管束組對焊接時有采用機械力強制管束對中的情況，可能有應(yīng)力未消除問題。

（6）對漏點進行檢查可見，漏點位置均為集箱短接管角焊縫焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)域內(nèi)，均為橫向裂紋，并存在重復(fù)出現(xiàn)的情況。

鍋爐在啟、停過程的溫度變化產(chǎn)生應(yīng)力變化，特別是在啟、停過程中熱應(yīng)力使設(shè)備產(chǎn)生較大的膨脹力，對于省煤器集箱本身幾乎不能發(fā)生變形和移位，只有與之相連接的管束應(yīng)力變化傳遞給集箱，致使集箱發(fā)生位移。通過觀察膨脹指示可見省煤器集箱向東南（ES）方向發(fā)生位移，主要應(yīng)是省煤器管Ⅰ和Ⅱ產(chǎn)生的熱膨脹力F1和F2造成的（圖10），集箱位置沿著位移方向發(fā)生變化，但也由于集箱卡具，3根DN100的出水管Ⅲ和固定在4根鋼梁上的省煤器管束支撐Ⅳ等作用，使集箱位移受到限制，致使省煤器管Ⅰ和Ⅱ產(chǎn)生的膨脹力集中在集箱短接管根部，如果某一根管承受不住集中的應(yīng)力，就會在集箱接管角焊縫熔合區(qū)或熱影響區(qū)相對薄弱的接管母材一側(cè)發(fā)生裂紋。

圖10 省煤器管熱膨脹力分析

從泄漏次數(shù)統(tǒng)計分析，Ⅰ組省煤器管的漏點較多，按工藝原理Ⅰ的溫度應(yīng)最高，溫度越高膨脹長度就越大，Ⅰ和Ⅱ的彎度都應(yīng)能夠起到自然補償來消除管道膨脹帶來的應(yīng)力，但Ⅱ的彎度更大，所以，Ⅱ能承受的應(yīng)力變化能力更強，而Ⅰ最先遭到破壞。

具體受力情況如圖11所示，省煤器管束由安裝在4處空心鋼梁上的支柱Ⅳ進行支撐，所以，蛇形管更多的向上方（U）膨脹，Ⅰ在集箱的彎處受到向左上方（UL）的力，而對接焊縫的強度、受力狀況等要優(yōu)于承插焊縫，所以，泄漏點發(fā)生在集箱根部角焊縫焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)域內(nèi)。

圖11 省煤器管受力方向

4.3 原因確定

根據(jù)可能存在的原因和檢查結(jié)果判斷，發(fā)生上級省煤器出口集箱短接管頻繁泄漏的根本原因如下：

（1）直接原因：管線受應(yīng)力影響，導(dǎo)致在集箱接管角焊縫相對薄弱的接管母材一側(cè)發(fā)生泄漏，即焊道與母材間的熔合區(qū)或熱影響區(qū)發(fā)生橫向裂紋。

（2）間接原因：①省煤器設(shè)計存在缺陷，而且管束封堵后，截斷的省煤器管束塌陷，翅片插入相鄰管翅片內(nèi)受限，煙氣流量也較大，附近的管束受熱影響，與其他管束熱應(yīng)力出現(xiàn)差異，膨脹變形不同；②集箱支撐限制設(shè)備自由膨脹；③管束對接過程采用機械力強制牽引，導(dǎo)致管束承受應(yīng)力；④施工質(zhì)量驗收不到位，沒有及時糾正和整改采取機械力強制對中焊接的問題，安裝跟蹤不及時，沒有進行省煤器支撐、限位等關(guān)鍵點確認(rèn)。

4.4 整改措施

（1）安裝膨脹指示器，及時監(jiān)督設(shè)備膨脹情況。

（2）檢查煙道內(nèi)的省煤器管束，對塌陷的管束上方進行擋板隔離，減少臨近省煤器管束的高溫?zé)煔庥绊憽?/p>

（3）拆除省煤器集箱檢查孔，檢查集箱內(nèi)管束口沒有異物堵塞。

（4）檢查省煤器穿墻管處為澆注料封閉，為了消除澆注料影響管束膨脹的可能性，將澆注料改為硅酸鋁纖維氈進行封閉。

（5）漏點處理：①選用J427電焊條，采取手工電弧焊的方式進行多層多道作業(yè)；②對裂紋部位盡量進行打磨之后進行補焊；③對漏點相鄰短接管焊道處進行加強；④對無法補焊的管束彎管處進行更換，將彎管弧度加大，增加膨脹量，集箱處掏孔角焊縫，水平管對接焊；⑤進行焊接熱處理，減緩焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度，保護焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能。

（6）省煤器出口集箱支撐之初安裝形式為集箱坐落在U形支撐內(nèi)，可能存在膨脹受限的情況。首先，經(jīng)過分析和對比4#鍋爐省煤器集箱支撐形式，將5#鍋爐省煤器出口集箱支撐形式改造成水平支撐和倒U形卡限位相結(jié)合，且U形卡可調(diào)整（圖12）。

圖12 省煤器集箱支撐形式改造

（7）由于集箱位置限制省煤器管束在集箱處的熱膨脹，使管束始終承受較強的熱應(yīng)力，先后在集箱支撐處曾加兩塊3 mm厚的鋼板（圖13），目前集箱已提高6 mm，目的是將省煤器管在冷態(tài)下受力拉伸，當(dāng)管束在熱態(tài)膨脹時起到補償作業(yè)，由于部分管束彎管進行了更換，目前墊板拆除1片。

圖13 省煤器集箱墊板

（8）加強對省煤器上級集箱的巡檢和定期檢查，包括膨脹指示，溫度變化等內(nèi)容。

（9）加強工藝操作監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)問題嚴(yán)肅考核。

（10）加強學(xué)習(xí)培訓(xùn)，提高業(yè)務(wù)水平，并繼續(xù)進行泄漏原因的技術(shù)分析和消減措施實施工作。

（11）制定大修計劃，對上級省煤器進行重新設(shè)計，采用懸吊結(jié)構(gòu)，在管夾內(nèi)可以適當(dāng)自由膨脹，利于吸收熱膨脹應(yīng)力；集箱管接頭張得較開，也有利于吸收熱膨脹應(yīng)力；管接頭為厚壁管，與集箱角接焊透（圖14）。

圖14 省煤器布置

5 總結(jié)

鍋爐作為關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備完好尤為重要，上級省煤器出口集箱管接頭泄漏直接影響鍋爐安全運行，經(jīng)過現(xiàn)場排查情況進行原因分析，在逐步落實整改措施的同時，對上級省煤器進行重新設(shè)計，采用懸吊結(jié)構(gòu)，集箱管接頭張得較開，管接頭為厚壁管等措施，徹底解決省煤器集箱管接頭泄漏問題。另外，要嚴(yán)格控制運行參數(shù)和工藝操作，禁止出現(xiàn)超溫和超壓等異常參數(shù)，并且要加強檢修質(zhì)量管控，檢修質(zhì)量驗收嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，按照檢修作業(yè)規(guī)程作業(yè)，步步有確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正。