火电厂锅炉“四管”泄漏的原因及预防控制措施

陈文卫,胡振辉,俞 玲,曾 璐

(1.湖北能源集团鄂州发电有限公司，湖北 鄂州 436032；2.武汉电力职业技术学院，湖北 武汉 430079)

0 引言

根据相关资料统计，在引起我国大中型火电厂非停的所有事故当中，因锅炉事故导致的比例占70%左右，而“四管”（过热器，再热器，省煤器，水冷壁）泄漏导致机组非停的次数占锅炉事故的60%～70%左右[1-2]。因此，火电厂锅炉受热面泄漏问题已成为威胁发电设备稳定运行和安全生产的重要影响因素，充分了解其产生的原因和掌握控制“四管”泄漏发生的措施显得极为重要。

1 “四管”泄漏原因分析

通过对火电厂锅炉受热面爆管事故类文献的学习和总结[3-7]，引起“四管”泄漏主要原因有：受热面超温、氧化皮的产生与脱落、受热面的磨损、化学及应力腐蚀等。

1.1 受热面超温

超温对锅炉“四管”的损伤是不可估量的，其分为长时间超温和短时间超温两种。长时间的超温会使得受热面产生高温蠕变，温度越高，金属材料的蠕变速度就越快。长时间超温的爆口宏观形态是：爆口不大，呈未张开境像，在其周围有众多平行的轴向裂纹，同时爆口表面还会有高温氧化和脱碳现象，并有氧化皮产生（图1）。据相关资料统计，再热器爆管的事故中约有70%是由于长时间超温产生的[3]。

图1 长时间超温爆口Fig.1 Long time overtemperature detonation

短时间的超温，特别是反复的短时间超温，极容易使得超温的管壁处产生应力疲劳，最终导致该处的受热面发生爆管。短时间超温的爆口宏观形态是（图2）：爆口完全张开，呈撕裂状，其边缘变薄且光滑，爆口附近的管子有一定的变粗且其外壁呈蓝黑色。

图2 短时间超温爆口Fig.2 Short time overtemperature detonation

1.2 氧化皮的产生与脱落

在600 MW和1 000 MW的大中型火电厂的锅炉中，主再蒸汽温度很容易达到和超过570℃，这使得氧化皮的生成不可避免（图3）。根据相关的研究表明，受热面金属所处的温度越高、内部流动工质中氧的成分越高，氧化皮的生成速度就越快。早在1980年代，相关人员就对T91金属的抗氧化性进行了大量的研究[7]，如图4所示。

图3 氧化皮的形状Fig.3 The shape of the oxide skin

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

氧化皮的脱落主要与其厚度、温度变化幅度以及速率有关。据相关研究表明，温度变化幅度越大、变化速度越快、氧化皮越厚，则氧化皮越易剥落[7]。脱落的氧化皮最终会在受热面管道的U型弯的底部集聚，使得过热器流通截面变小，最后导致受热面过热曝管。

1.3 受热面磨损

在火电厂锅炉中，因磨损而造成受热面泄漏占总体泄漏量的37.5%，是所有因素中最高的[3]。受热面磨损的爆口宏观形态（图5）：爆口边缘呈不规则形状且其附近明显变薄，金属组织无变化，属于韧性破裂。容易造成受热面磨损的因素有：烟气和飞灰的冲刷磨损、焦块和结渣的下落磨损、吹灰器的吹扫磨损以及燃烧器的对冲与卷吸磨损。

图5 磨损爆口Fig.5 The tear attrition

当烟气通过受热面时，烟气中携带的各种颗粒将以一定速度冲击受热面，造成被冲击位置磨损减薄，随着时间的积累，最终破裂。定期吹灰可以避免锅炉四管受热面积灰，提高锅炉换热效率。但吹灰器运用不当也会导致受热面磨损或者结焦，最终导致爆管。如吹灰器退出故障，长时间对某处进行吹扫，容易磨损该处受热面；吹灰器疏水不够彻底导致含有大量水分的蒸汽冲刷受热面，使其产生热应力疲劳，最终曝管；吹灰器布置不当或者遗漏布置，导致某处不能进行正常吹灰，使得该处的积灰和结焦现象越来越严重，最终导致曝管。

燃烧器对冲布置的锅炉，如果配风不合理的话，很容易在燃烧器的附近产生磨损和超温腐蚀：当一侧燃烧器的一次风压过大时，对冲的煤粉混合物会在碰撞后冲向压力较低的一面，从而使得煤粉冲刷该处的水冷壁并在其附近燃烧；当一次风压较低时，对冲后的高温烟气会在燃烧器的附近形成一个高温的卷吸区，最终导致燃烧器的附近的水冷壁因高温腐蚀而爆管。

1.4 化学及应力腐蚀

根据受热面的不同位置，化学腐蚀分为内腐蚀和外腐蚀两种。内腐蚀是指受热面内壁处的腐蚀，它是由受热面内部流动工质品质不合格引起的，一般都是由锅炉给水品质控制不当引起的，其中给水中的含氧量和PH值不合格影响最大。这种爆管处的特征是受热面内壁有坑坑洼洼、薄厚不均（图6），最终在腐蚀最厉害处爆口。外腐蚀是指受热面靠近炉膛侧的腐蚀。该侧接触的物质比较复杂，有烟气、煤粉颗粒、飞灰以及燃煤燃烧后产生的一些硫化物、铁硫化物、氯化物等等。当一些灰渣或酸碱性物质贴附在受热面表层后，在高温的作用下会产生一系列的化学反应，使得金属表面发生腐蚀而凹凸不平，最后会因受热不均而产生爆管（图7）。

图6 内腐蚀管壁Fig.6 T he corrosion tube wall

图7 外腐蚀爆口Fig.7 External corrosion detonation

图8 应力腐蚀爆口Fig.8 The stress corrosion detonation

应力腐蚀是指受热面材料在特定的环境中反复多次受到拉缩应力作用，最终达到和超过金属承载能力后而产生的低应力脆性断裂。产生原因有受热面处汽温、烟温大幅度的快速增降；因风烟控制不当导致受热面管道的振动等。应力腐蚀曝管处金属表面大部分未遭破坏，只有细裂纹穿透受热面管道，多数是沿晶分布，附近受热面管道的力学性能仍保持完好（图8）。

2 “四管”泄漏控制措施

2.1 技术方面

1)受热面超温控制

运行人员控制方式：机组启动过程中，特别是干湿态转换阶段，及时地调整燃烧工况、控制给水流量，防止锅炉在干湿态间频繁变换；避免出现受热面壁温局部过热，控制好锅炉的升温升压速度，减小各受热面的温度梯度，同时控制好水煤比和合理的过热度；在机组协调模式下要关注燃料、给水的自动配合情况，防止因为跟踪不及时而出现超温现象。

维护人员控制方式：完善和优化给水与过热度、燃料的自动控制系统，使其满足在各种工况下能够快速、更好的自动调整；经常校验和检测风烟系统相关的测点是否正常，对容易出现故障的氧量、总风量等关键测点要及时的进行消缺和优化，令其能够准确的反应燃烧的实际参数；对锅炉受热面有超温现象的管壁进行跟踪检查，排查各个受热面的温度测点是否布置齐全和恰当，以便运行人员更好、全面的监视受热面各处温度情况；提高整个机组各辅机的自动投入率和优化其调节性能，在最大的程度上防止因人为手动操作不当而使机组参数产生剧烈的波动和停机。

2)氧化皮的控制

“减缓生成、控制剥落、加强检查、及时清理与换管[7]”是目前对预防和控制氧化皮产生与脱落问题的一个重要技术路线。

运行监视方面的控制措施主要是“减缓生成、控制剥落”，具体手段为：在机组启停和事故处理中，严格按照规程中规定的汽温、汽压升降速率进行；在机组启动过程中要充分发挥冷、热态冲洗作用，严格控制冲洗水品质，在氧化皮产生较多情况下要利用旁路系统的作用进行过热器、再热器等受热面清洗，使得蒸汽段氧化皮被冲洗干净；在锅炉燃烧调整时要严格控制汽温、汽压变化速率，防止发生蒸汽参数反复剧烈变化的工况，特别是在大幅度调峰和事故处理时，更应该注意到这一点。

检修维护方面的控制措施主要是“加强检查、及时清理与换管”，具体手段为：对于要停炉3天以上的时间，要做出有针对性的检查项目。根据蒸汽段温度的监视情况，对容易超温的管道和过热器U型弯头处进行着重检查。检查手段包括拍片检查受热面管道内部氧化皮的堆积情况、测量分析氧化皮的厚度、利用内窥镜查看氧化皮的脱落情况等。对于发现受热面管道有变色等异常情况时，要及时进行割管检查并更换。

3)受热面磨损的控制

严格控制煤粉的细度，定期进行煤粉细度的检测；合理启动和分配底层、中层及上层磨煤机的运行情况，防止炉膛内火焰中心位置上移；合理布置吹灰器的个数和设置其吹灰蒸汽参数。吹灰区域要能够完全覆盖结焦部位，并根据实际结焦部位和程度来增减吹灰器的个数以及调整吹灰曲线、强度（包括时间、流量、压力）。运行过程中更要确保锅炉吹灰系统的正常投入，有效清除受热面结焦；若发现吹灰器投退异常应及时联系检修班现场处理。经常出现炉膛结焦和垮焦时，要严格遵守吹灰操作规定并根据实际情况适当增加吹灰次数。

根据锅炉的设计以及燃烧器的特性，通过试验的方式来合理分配热一次风、二次风以及三次风的强度，避免燃烧的煤粉被卷吸冲刷燃烧器附近的水冷壁。

4)化学及应力腐蚀控制

内腐蚀的控制，体现在要严格控制给水和蒸汽的品质，特别是在锅炉的启动过程中，要严格进行冷、热态冲洗；运行过程中，要定期对给水、蒸汽的品质进行监测，发现有不合格的水质和蒸汽时，要及时进行相应的处理；机组停运后要及时进行停炉保养工作。外腐蚀的控制主要体现在：尽量优先采购与锅炉设计煤种相接近的燃煤，少用含还原性元素较高的煤种；合理控制煤粉的细度；严格执行吹灰操作规定。

应力腐蚀的控制措施：运行过程中，注意参数的变化率，严禁有超参数、超幅度的调整操作；避免因风烟、飞灰控制不当造成受热面的机械振动；尽量减少受热面之间的热偏差；适当地提高吹灰蒸汽的参数，减小吹灰蒸汽对受热面的热冲击；停炉后及时对受热面进行外观检查，对那些因应力集中而出现疲劳的区域进行整改，以消除隐患。

2.2 管理方面

虽然火电厂锅炉的“防爆”工作非常难做，但是国内也有一些如华北地区的衡丰、滦河、秦皇岛等电厂在这方面做得比较好的厂家。借鉴他们的经验，总结起来大概有以下几点：

1）不断完善的工作制度和标准体系

随着时代的发展和社会的进步，管理与技术也在不断地发展和提升，因此每个电厂都应该根据本厂设备的特性不断地制定、完善、细化相应的制度、标准和生产规程，并且要形成一套完整有效的体系，只有这样才能使得运行与维护人员有章可循。

2）组建合格的专业队伍

机组发生“四管”泄漏涉及到金属材料、化学、热工等多个专业的知识，更涉及到设计、安装、运行和维护等多个单位之间的配合问题。“四管”防爆工作不但专业性很强，经验性也非常强。所以在锅炉的防爆工作上，应该成立一支专班小组，并形成一整套与本厂相对应的具体做法，然后严格地执行。同时，应该固定相关的技术人员，并对其进行相关专业的培训，使其专业技术和经验可以在本厂得到传承。

3）建立和健全设备的技术档案

即使是同一型号的两台锅炉设备，它们出现的问题也会是不一样的。因此应该根据每台锅炉建立一套完整的“四管”泄漏专项档案，对于每次出现泄漏的部位、爆口照片、爆口金相分析的结果、爆管的最终原因和防治措施都要有详细的记录，对于不明爆管原因的事故，要做到持续跟踪调查，直至查明原因。

4）发挥主动性，不断创新工作方式

“四管”防爆工作虽然很难做深、做实、做全，但相关的工作人员应该发挥自己的主动性、不断地创新工作方式：比如去这方面做得比较好的电厂“取经”，并把学到的东西带回来，然后加以吸收和转化并形成一套与自身电厂相结合的“四管”防爆机制；又如，以一群经验丰富的人员成立一个“四管”防爆小组，并在人员技术培训和设备治理方面得到管理层的大力支持，最后制定一套详细、规范的维护检查规章制度。

3 结语

预防和治理锅炉“四管”泄漏问题是一个复杂和繁琐的过程，它的建立和完善需要长时间的努力和不断地积累。在管理层方面它需要公司各个部门通力协作和大力支持；在技术手段方面，它需要重视人员的培训和技术的交流；在规章制度方面，需要不断地完善和细化。只有做到这些，才能够把“四管”泄漏的问题降到最低程度。

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