电站锅炉汽包失效及预防

田 乾，丁克勤，陈 平

（1.北京化工大学 机电工程学院，北京 100029；2.中国特种设备检测研究院，北京 100013）

0 引言

汽包是自然循环锅炉中的核心承压设备，是加热、蒸发、过热3个过程的连接点，不仅承受着很大的内压，还要承受冷、热态启动以及负荷运转时的循环机械应力和热应力，另外炉水的pH值及各种离子也对汽包产生不利影响，这些因素的综合作用会导致汽包失效。汽包的失效将会造成安全上、经济上的巨大损失，因此，分析汽包失效的原因、制订防止汽包失效的措施，对延长汽包的使用寿命以及整个电站锅炉机组的安全运行都有重要意义。

1 汽包工况与选材

1.1 汽包工况条件

汽包的工况分为稳定工况、热态启动、冷态启动、正常停机、锅炉灭火、压力波动、带压启动和快速放水8种。

汽包的复杂载荷主要有以下几种：①机械应力，包括正常运行下的稳定压力、启停过程中的压力升降以及水压试验中引起的应力；②热应力，包括在正常运行下由壁温差产生的稳定热应力以及在部件的个别部位由壁温波动引起的频率较大的交变热应力；③附加载荷，包括由部件自身、内部介质等的重力构成的均匀外载，以及因支撑、悬吊引起的局部集中外载；④工艺应力，包括焊接残余应力、胀接残余应力、元件不圆度造成的弯曲应力等。其中，机械应力和热应力是整个应力幅变化的主要因素，对汽包的应力分析主要针对这两种应力。

1.2 汽包选材

制造汽包的材料必须在工作温度下具有足够高的力学性能、优良的抗疲劳性能、较高的耐热性能以及良好的耐腐蚀性能。此外，由于汽包产生裂纹等缺陷后修复起来比较困难，汽包的材料还应该具备一定的焊接性能。

16Mng是屈服极限为350MPa级的普通低合金钢，是我国应用最广泛的普通低合金钢种之一。推荐应用的范围为－40℃～450℃，16Mng具有良好的综合机械性能、焊接性能以及低温冲击韧性，但是缺口敏感性比碳钢大。15MnVg强度比16Mng高，也具有良好的综合机械性能及焊接性能，可用于制造中、高压锅炉汽包，15MnVg钢板也有较大的缺口敏感性。14MnMoVg是屈服极限为500MPa级的普通低合金钢，钢中由于加入了Mo，提高了钢的屈服强度及中温机械性能，特别适合生产厚度为60mm以上的厚钢板，以满足制造高压锅炉汽包的需要。18MnMoNbg也是500MPa级的低合金钢，不仅有较高的屈服极限，而且耐热性能也较高，适用于制造高压锅炉汽包。14CrMnMoVBg的屈服极限很高，σs为650MPa～700MPa。该钢又加入强化元素铬，也是微量多元低合金钢，不仅强度高，塑性、韧性也较好，焊接性能也好，并且能耐湿度较大地区的大气腐蚀。

2 汽包失效

锅炉汽包的失效按其原因可分为低周疲劳、鼓包开裂、腐蚀等多种失效方式。

2.1 鼓包变形开裂

由于水质不良和长时间的运行，汽包底部沉积大量垢渣，锅垢与钢板的膨胀系数不同，加热和冷却时，在汽包的钢板与锅垢接触的表面上产生较大应力，当应力超过钢板的强度极限时发生开裂导致过热鼓包。若材料内部存在粗大的夹杂物时，这些夹杂物也就相当于金属内部的锐角，会导致应力集中，使其在变形过程中成为裂纹源，并在外力的持续作用下进一步扩展，最终导致开裂［1］。对出现严重鼓包变形的部位应采取挖补的处理方法。

2.2 腐蚀断裂

汽包的腐蚀主要为应力腐蚀和氧腐蚀。

应力腐蚀包括应力腐蚀破裂和腐蚀疲劳，两者在裂纹的特点上有显著区别。应力腐蚀外观无变化，裂纹发展迅速且预测困难，因而危险性很大。腐蚀疲劳产生的裂纹是可观察到的，在宏观上裂纹常常成群地、丛状地垂直于应力方向分布。腐蚀疲劳又称为交变应力腐蚀，断口上有腐蚀产物、腐蚀坑、腐蚀沟、槽式台阶以及疲劳弧带、疲劳沟纹、疲劳台阶等。

汽包的内壁由于长期受到炉水的浸渍，在水中氧的去极化作用下发生电化学腐蚀，在管内的钝化膜破裂处发生氧腐蚀。金属材料的点蚀电位与溶液的氯离子活度、pH值和温度都有很大的关系。当溶液中氯离子活性变大时，点蚀电位向负方向移动，而当pH值降低或温度升高时，点蚀电位同样也向负方向移动，也就是说增加了产生点蚀的敏感性。钢材成分对汽包氧腐蚀的影响主要是与钢表面的保护膜有关，因为腐蚀速度在氧化膜遭到破坏后会显著加快。合金钢材的成分对点蚀也有一定影响，例如不锈钢的点蚀敏感性比普通碳钢高一些［2］。

2.3 低周疲劳断裂

全国各大电网的电网容量、峰谷差越来越大，为适应负荷的变化，调峰机组启停频繁，经常处于急剧的变负荷工况，这样就容易导致疲劳裂纹在给水管孔、下降管孔处产生［3］。造成低周疲劳的原因主要是汽包在频繁启、停运行工况下形成的高温与高压的交变应力，致使在汽包结构中易产生应力与应变集中部位的局部区域里所产生的循环应力的峰值超过所使用材料的疲劳极限甚至屈服极限，导致疲劳损伤断裂破坏。启动、停炉的温度变化越快，热应力越大，就越容易造成疲劳裂纹［4］。汽包局部区域的应力集中、焊接的缺陷和裂纹往往是低周疲劳裂纹的源点。

低周疲劳损伤是汽包的主要失效形式［5］。大量资料表明，下降管与汽包承插焊接部位是汽包结构中受力最大、最危险的位置［6］。

3 预防措施

3.1 设计

对下降管内伸接头处进行倒角后能很大程度地降低汽包的应力集中［7］。国内外一些国家对锅炉结构进行了改进，如美国CE公司、德国BABCOCK公司在300W、600W级锅炉汽包内安装了与汽包长度相同的弧形衬板［8］。此外，应尽量采用大直径的下降管，可降低流速，从而有效地防止进入下降管内的炉水汽化。应合理布置汽包内部的旋风分离器，具体来说就是每个旋风分离器与它左右相邻及对面的旋风分离器的旋转方向是相反的，借以相互抵消各旋风分离器下部出水的旋转动能，抵消它们的旋转作用，以求达到汽包内水位的稳定平衡，并削弱水流对汽包本身的动能影响。

3.2 材质

材质状况直接影响到汽包的力学性能和抗腐蚀性能，不良的材质会降低汽包的疲劳抗力。例如，材料中的夹杂物、不均匀的块状铁索体、链状碳化物、粗大奥氏体晶粒、回火脆性、内应力等材料缺陷对材料的疲劳寿命及耐腐蚀能力是极为不利的，须加以控制。在选定汽包材料时，应进行一系列的材质复验工作，检查材料的化学成分、金相组织、力学性能等材质指标是否符合规定的要求，还要对与原材料有关的热加工工艺进行审核。

3.3 加工与安装

在汽包加工过程中，必须注意在下料划线时每节之间留有工艺余量。当节与节拼接时，须尽量减小错开量，焊接时应注意保持焊口清洁，不得有油污、杂物等［9］。在开孔划线时，一定要保证水平度和垂直度，注意孔的数量和方向。钻孔时要保证公差，以免影响成品质量。

汽包的安装操作应遵循作业指导书来进行。汽包安装前必须严格认真进行划线及地面找正，并按规定认真做好记录；汽包划线必须留有明显的中心标志（但严禁在汽包上施焊）；汽包安装的标高偏差应不大于3mm，水平偏差应不大于1mm，汽包吊环与外圆接触吻合良好，个别间隙应≤2mm。除此之外，还应该极力避免因运输、搬运等造成的材料表面划痕与瑕疵。

3.4 运行与维护

在汽包事故中，由于运行与维护不当原因的占有相当大的比例，应引起高度重视。具体做法为：①在升、停炉过程中，应严格控制升温或降温速度，一般升（降）温速度＜1.5℃／min。若发现汽包上、下壁温差超过规定值（40℃），应减慢升（降）温速度；②加强汽包使用前的保护，新炉启动前应进行化学清洗，去除铁锈和脏物，运行中应严格控制pH值含氧量，注意停炉保护；③开机时，加强水冷壁下联箱的放水，通过适当放水，用热水替换受热较少的水冷壁及不受热的联箱等部件内的冷水，促使各部位温升均匀，减小汽包壁温差；④维持燃烧稳定和均匀，采用对称投油枪定期切换，或采用多油枪少油量等方法使炉膛热负荷均匀，确保水循环正常；⑤尽量维持较高的给水温度；⑥向汽包补给水时须严关省煤器再循环门，防止上、下壁温差增大；⑦尽量采用蒸汽加热水冷壁下联箱方法，能加快建立正常水循环；⑧停炉后应使汽包缓慢均匀冷却，同时应尽量保持汽包高水位；⑨降压后期及停炉后应特别注意控制好汽包水位，尽量避免大量放水、补水使汽包下壁急剧冷却，汽包上、下壁温差增大；⑩做好定期排污和连续排污；○11为了防止加药管堵塞，可在加药前先通热水至溶药罐，将热水经加药管加入汽包，将药品在溶药罐里加热水充分搅动至溶解再加入炉内，并控制磷酸盐浓度。

4 结束语

到目前为止，我国在汽包各类失效方面的研究已取得满意的结果，主要包括疲劳起源与机理、断口金相学与失效分析、汽包热应力的控制与低周疲劳分析、优化设计、材质控制、制造安装工艺的改进、运行与维护情况等。这些都为控制汽包热应力提供了理论支撑，在此研究的基础上，再加上相关操作标准的不断完善，将会使我国电站汽包运行的可靠性和服役寿命得到不断提高，带来更大的经济效益。

［1］金健，张斌，李海山.锅炉锅筒底部鼓包裂纹原因分析［J］.石油与化工设备，2011（14）：46-48.

［2］龚洵洁，曾武.国内外锅炉汽包腐蚀问题的研究状况［J］.长沙电力学院学报，1995，10（4）：413-416.

［3］蒋佳楠，张瑾，林兴华.锅炉汽包的低周疲劳寿命分析［J］.机械强度，1993，15（2）：41-45.

［4］赵志宏，杨春龙，薛锋.2008t／h锅炉汽包疲劳寿命分析［J］.华北电力技术，2007（9）：9-11.

［5］郭帅，段鹏.电站锅炉汽包的安全性评定和剩余寿命评估［J］.华东电力，2005，33（10）：63-65.

［6］梁艳明，沈月芬，梅清理.锅炉汽包下降管区域三维有限元应力集中分析［J］.西安交通大学学报，1999，33（7）：41-45.

［7］江爱林.300MW锅炉汽包应力分析与裂纹计算［D］.武汉：武汉理工大学，2005：77-78.

［8］纪象民，刘波，任德强.电站锅炉汽包在启停过程中的应力分析［J］.中国特种设备安全，2007，23（6）：2-6.

［9］谭蓬，陈明.电站锅炉汽包缺陷检验案例及原因分析［J］.中国特种设备安全，2008，24（7）：49-50.