某锅炉减温器故障引发的事故原因分析及处理

2015-08-19赵志润唐忠凤临沧市质量技术监督综合检测中心云南临沧677000

云南科技管理 2015年3期

赵志润，唐忠凤（临沧市质量技术监督综合检测中心，云南临沧 677000）

赵志润，唐忠凤
（临沧市质量技术监督综合检测中心，云南临沧 677000）

通过一台锅炉因减温器故障引发过热器频繁爆管事故的检查与分析，认为减温器设计容量偏大、内部构件不合理、运行中冷却水流量过小、温度过低是导致减温器支撑件失效、冷却水管断裂、螺旋管泄露的原因；通过对减温器全面检验检测，更换高温过热器和减温器芯管，减小减温器容量等有效的处理措施，保障了减温器安全运行。

减温器；冷却水管；锅炉故障

0 引言

减温器工作环境恶劣，容易发生故障。临沧市某糖厂一台WDLC100/3.82-1型蔗渣锅炉（额定蒸发量100t/h，工作压力3.82MPa，双锅筒横置式布置），2012年12月新装投入运行，在投入运行不到一年的时间多次发生因减温器失效，内部构件脱落，堵塞蒸汽引出管口，导致高温过热器超温爆管事故；文章就减温器失效原因进行分析。

1　减温器结构及失效情况

该锅炉过热器为立式结构，布置于炉膛出口凝渣管与对流管之间，分高低温段二级，高温过热器材质12Cr1MoV，规格Φ38×3.5mm，单排布置共85组，爆管位于炉膛出口的高温直段区域。该减温器布置于高低温段过热器之间，采用螺旋管表面式减温器，规格Φ368×25mm，如图1所示。以锅炉给水作为冷却水，经加热后进入给水混合集箱供给省煤器；过热蒸汽从上部引入，下部引出，减温器两端采用法兰端盖连接，内部对称布置上下两组φ60×5mm冷却水管，冷却水下进上出，冷却水管之间有85个φ18×3的螺旋管与冷却水管组成减温器芯子；冷却水管一端与减温器法兰端盖焊接固定，另一端与支板连接，为防止芯子振动，冷却水管之间焊接有168块200×30×4mm的小支撑板。减温器设计进口蒸汽温度400.4℃，出口蒸汽温度346.6℃，冷却水进口温度105℃，出口温度135℃。

对减温器进行抽芯检查时发现，减温器芯子破损严重，进水管多处横向断裂；进水管与支板的固定角焊缝整体开裂，连接处完全脱离、移位，支板与护板连接焊缝开裂、脱离；护板断裂；螺旋管出口水平段多处穿孔泄漏；进水管与出水管之间焊接的小支撑件60%以上产生变形、弯曲，焊缝开裂，部分支撑件脱落，减温器失效情况如图2所示。

2　原因分析

2.1从设计制造方面分析

2.1.1减温器容量偏大

减温器容量选取过大，不仅浪费材料，并且由于冷却水量过小有发生汽化的危险，选取过小，会导致过热器超温事故。减温器容量一般取所需减温量的1.15～1.5倍［2］；该减温器设计取100%额定负荷工况时50%的给水作为冷却水量，也就是锅炉满负荷时应约有50t/h的冷却水流过减温器，但运行记录显示，该锅炉满负荷运行时最大冷却水流量仅为21t/h，运行工况与设计不匹配，减温器容量设计偏大，运行过程中存在冷却水汽化危险。

2.1.2内部构件结构不合理

该减温器进水管一端与集箱端盖焊接固定，中间与隔板焊接固定，另一端与支板焊接固定，支板与护板、护板与隔板焊接固定，进水管、支板、隔板、护板之间形成近乎刚性连接；在额定负荷下，进水管的管壁温度比冷却水温度高30～40℃［2］，假设冷却水管中水的温度呈线性变化［4］，按算术平均可近似求得进水管管壁温度为150℃；此时，支板、护板、隔板的温度近似取减温器内进出口蒸汽温度的平均值370℃，进水管与支板、隔板、护板之间约有220℃的温差，温度不同，所产生的膨胀量不同，进水管产生的膨胀量小于支板、护板、隔板的膨胀量，当膨胀互相限制，产生较大的约束温差应力，在此温差应力反复作用下，进水管、护板壁厚较薄，容易产生疲劳断裂，进水管与支板连接角焊缝、支板与护板的角焊缝中承受较大的剪切应力，易导致开裂损坏。

冷却水管之间焊接小支撑板，冷却水管与小支撑板之间又形成一个刚性结构，出水管在膨胀时受到小支撑板限制，小支撑板又受到进水管的限制，进出水管之间因冷热温差不同所引起的膨胀差不能被螺旋管转化、吸收，完全作用于小支撑板，加之运行过程中因热交换进出水管频繁发生振动，小支撑板仅仅点焊在进出水管之间，焊接质量差，在两种力共同作用下小支撑件极易产生弯曲变形、焊缝拉裂，最后导致脱落。从现场检查情况看，正是由于小支撑板脱落，堵塞蒸汽引出管管口，高温过热器管内蒸汽流量减少，导致超温爆管事故。

图1 减温器结构示意图

2.2从运行方面分析

2.2.1冷却水流量过小到足够冷却，运行中需要保持即最小冷却水流量，最小冷却化为前提［2］。该台锅炉因减温际运行中，只有通过减少冷却热蒸汽出口温度，司炉工在不水进口调节阀门全部关死，冷，冷却水极易产生汽化，水管热蒸汽温度400℃，一旦需要螺旋管受到冷却水（105℃）的85℃内外壁温差，对于3.82MPa的中压锅炉，此时的温差应力高达500MPa左右［1］，远远大于20#管的屈服应力。现场查看运行记录显示，冷却水经常出现零流量记录，冷却水流量过小是导致进口冷却水管断成几节的主要原因。且管内壁受的是拉伸应力，外壁受的是压缩应力，裂纹是由内向外扩张的，不裂穿很难发现。

2.2.2冷却水温度偏低

该锅炉采用钠离子串级交换软化，大气式热力除氧附加锅内加药的水处理工艺，水处理工艺及生产工艺相对落后，锅炉运行时需补充30%左右的软化水作为锅炉给水，从运行参数看，给水温度经常只有70～80℃左右，锅炉水质尤其是给水温度达不到设计105℃的要求，水中的溶解氧无法去除掉，溶解氧含量在3.9～5.4mg/L之间，已严重超出GB/ T12145-2008中≤15μmol/L的要求。从现场情况来看，进出冷却水管内有溃疡状腐蚀坑，螺旋管穿孔部位内大外小并伴有红褐色的腐蚀产物，是氧腐蚀造成的；冷却水加热至102～104℃时，水中的氧就会逸出［3］，若果冷却水量较小，汽水混合物的流速低于0.4m/s时，水平管中会出现汽水分层现象［2］，氧气大量聚集在水平管段，螺旋管壁厚较其他部件薄，导致出口水平管段多处腐蚀穿孔。运行过程中如冷却水发生汽化，需要减温时，进入减温器的冷却水温度（70～80℃）远低于设计温度（105℃），加大了冷热介质的温度差，增大了温差应力，加速进出冷却水管、螺旋管的疲劳破坏。

综上原因分析，过热器频繁爆管是由于减温器故障，内部构件脱落，堵塞蒸汽引出管超温所致；而减温器内部结构不合理、设计容量偏大、运行中冷却水流量过小、温度过低是导致减温器支撑件失效、冷却水管断裂、螺旋管泄露开裂的原因。

图2 减温器失效状况图

3　处理措施及建议

3.1对减温器进行全面检验检测

为防止因芯管泄露陡然冷却减温器内壁产生热疲劳裂纹，对减温器筒体进行内外部100%外观检查，内壁进、出管孔内区域特别是芯管泄露对应部位进行窥镜检查和超声波检测，外壁接管角焊缝进行100%渗透检测，未发现减温器筒体开裂的情况。

3.2更换爆管的高温过热器

因过热器爆管是由小支撑板堵塞管孔所致，其余过热器未发现超温过热情况，对爆管的8组过热器管进行更换，采用氩弧焊R31焊丝进行焊接，焊接接头进行100%的RT检测和光谱检测。

3.3更换减温器芯管、减少减温器的容量

减温器芯管疲劳破损严重，更换全部芯管重新制造安装。锅炉厂对减温器容量重新进行设计计算，确定减少约20%的换热面积，将原来的85组螺旋管减少为72组，可适当增加冷却水流量。取消进出冷却水管之间的小支撑板，为防止冷却水管过长振动严重，在支板与隔板之间增加两道支板，支板与进出水管焊接结构改为套合结构。在减温器上部筒体设置保护衬板，防止因减温器芯子漏水而疲劳破裂。

3.4水压试验

修理完工后，减温器与锅炉本体进行5.25MPa/20min的水压试验，未发现泄露情况。

3.4定期检查

建议每年定期对减温器进行检查，定期检查主要是抽芯外观检查和冷却水管系统水压试验，主要检查内部构件完好情况及裂纹、磨损情况，对发现的问题及时处理。

3.5提高冷却水的进口温度

让除氧器正常使用，保证冷却水进口温度达到105℃。提高冷却水的进口温度，降低了一定量过热蒸汽的焓，增大冷却水的流量，降低冷却水的出口温度［1］，可有效避免冷却水被汽化。

3.6最小冷却水量

运行过程中需保持最小冷却水流量，对冷却水温度进行监控，建议增设冷却水的温度监控措施及报警装置，防止冷却水流量过小发生汽化疲劳损坏。

［1］马昌华.锅炉事故防范与安全运行［M］，北京：地震出版社，2000，6.

［2］宋汉武. 蒸汽锅炉减温器［M］，北京：科学技术文献出版社；重庆分社1987.3

［3］吴金福. 面式减温器腐蚀原因分析及治理［J］.工业锅炉，2007，101 （1）：54-55

［4］蒋明星，陈国华，廖景娱.某锅炉减温器水管失效原因分析及预防对策［J］.压力容器，2010，27（9）：38-41.