循环流化床锅炉水冷壁磨损分析及防护措施

马旭旭

（安徽省特种设备检测院，安徽 合肥 230051）

1 锅炉概况

安徽某矿业集团一台型号为YG-75/5.29-M21的循环流化床锅炉。该锅炉为全悬吊“π”形炉，主要由炉膛、锅筒、旋风分离器及尾部烟道组成。该锅炉设计燃料为烟煤（发热值为13 816 kJ/kg），燃料颗粒度为0～10 mm。空气一次风、二次风之比为60∶40。锅炉一次风从炉膛底部的水冷风室进入，再通过布风板风帽的小孔进入燃烧室，而二次风则沿着炉膛的高度方向分两层送入。本锅炉采用高温旋风分离器装置，分离器位于炉膛出口，分离器入口烟温为850～1 000℃，下部布置了返料装置，分离下来的飞灰经返料装置送回炉膛继续燃烧。返料口离风帽高约1 200 mm。炉膛水冷壁采用全悬吊膜式壁结构，主要分前、后、左、右四个回路。膜式壁管径为Φ60×5（前、后墙水冷壁在冷风室区域为Φ51×5），节距为 100 mm。

图1 实际检测图

2 事故描述

该锅炉在2017-09停炉检修时发现，在底部浇注料上方1 000 mm区域内，前、后、左、右墙水冷壁管均存在大面积磨损现象，最小实测壁厚为0.72 mm，根据强度计算结果，水冷壁管最小需用壁厚为2.55 mm。此外，在水冷壁管各对接焊缝处均有不同程度的磨损。实际检测图如图1所示。

3 水冷壁磨损原因分析

循环流化床锅炉水冷壁的磨损程度、磨损速率等与燃料颗粒的粒径大小，运动速度、烟气成分、受热面温度、运动形式等有着密不可分的关系。燃料颗粒在炉膛中的流动形式为环形流动，即中心区域的颗粒随着空气一起向上流动，而炉膛四周靠近水冷壁管的颗粒顺着膜式壁向下流动。

造成水冷壁磨损的主要原因有以下几个：①跟随烟气快速向上流动的燃料颗粒对水冷壁管造成的磨损；②流动速度比较慢，沿着管壁向下流动的燃料颗粒对水冷壁管冲刷造成的磨损；③由于不规则几何形状所带来的局部涡流所造成的磨损；④炉膛内局部射流对水冷壁管造成的磨损。炉膛内部局部射流主要为一、二次风空气射流及给料口射流，一、二次风口及给料口位于炉膛底部，周围水冷壁被浇注料所覆盖，对水冷壁管的磨损很微弱，本文暂不讨论。

运行中燃料颗粒对水冷壁的磨损机理可以用冲刷磨损来解释。其中，最为典型的水冷壁磨损是底部浇注料上方过渡区域水冷壁管的磨损，该磨损主要发生在底部浇注料上方200～600 mm区域内，随着高度的增加，磨损会逐渐减小。炉膛中部的燃料在一次风的作用下以流化状态向上运动，而炉膛四周的燃料灰沿着水冷壁向下运动，两个方向相反的流动，且因为贴壁燃料灰的运动方向会因为底部浇注料的形状而改变，极易产生涡流。

与此同时，沿着水冷壁向下流动的颗粒在碰到底部浇注料的时候会发生反弹，更加加重了对水冷壁的磨损。磨损机理如图2所示。

不规则区域管壁磨损机理与上述机理相似，比如穿墙测点开孔处的弯管、对接焊缝及有焊瘤和咬边的鳍片焊缝、水冷壁管和防磨金属涂层交界处、水冷壁管的机械损伤、凸起等部位。尤其是水冷壁管的对接焊缝如果没有打磨平整、光滑，焊缝附近的管壁会受到极其严重的磨损。水冷壁管磨损如图3所示。

图2 磨损机理

图3 水冷壁管磨损

另一个影响水冷壁管磨损的重要因素是燃料颗粒浓度。燃料颗粒浓度越高，代表单位时间内撞击水冷壁管的颗粒就越多，则水冷壁管受到的磨损就越严重。在炉膛内，燃料颗粒的浓度随炉膛高度的增加而降低，这也从另一个方向解释了为什么水冷壁上部的磨损比下部的磨损少。炉膛四角区域正因为燃料颗粒浓度大、下降速度快，导致该部位管子磨损更严重。有研究表明，炉膛四角区域的磨损速率大约是炉墙中部区域管子的2倍。

水冷壁稀相区的磨损一般为大面积均匀磨损，其产生原因主要是贴壁燃料颗粒在向下运动过程中，以小角度对水冷壁管进行冲刷的结果，其磨损现象主要表现为摩擦痕迹夹杂一些微小撞击腐蚀坑的形态。

4 解决措施

4.1 使各交界处平滑过渡

炉膛底部浇注料与水冷壁交界处尽可能地平滑过渡，且减小浇注料与水冷壁的夹角，可减少涡流效应所产生的磨损。对接焊缝的焊缝应打磨平整，不能有错口、折口等缺陷，以减少贴壁燃料颗粒对水冷壁的冲刷磨损。在进行鳍片的焊接时，一些凸起的部分要全部磨平，凹下去的部分也要全部焊补平直。没有清理干净的临时焊件或者没有打浇注料的销钉，要清除干净并且打磨光滑，即尽可能地减少不规则几何形状。

4.2 增加浇注料的覆盖范围

水冷壁在炉膛四角处由于燃料颗粒浓度较大，其磨损量也相对较大。针对此处的磨损可以增加浇注料的高度以减少这部分水冷壁管的磨损。此处浇注料与水冷壁管的夹角也需尽可能小，否则也会产生磨损沟槽。

4.3 管壁表面进行金属喷涂

国内中、高压循环流化床锅炉目前在过渡段所采用的防磨措施主要为金属喷涂。根据锅炉水冷壁的磨损机理，喷涂金属需要具备高硬度、抗冲刷磨损能力强、在高温环境下抗氧化性强等特点。由于燃料燃烧会产生硫化物，所以，喷涂金属同时也要具备耐热腐蚀性能。

4.4 调控运行参数

稳定负荷，可以防止水冷壁管的热胀冷缩导致表面氧化膜脱落。优化控制运行参数，以降低燃料颗粒浓度。

4.5 控制燃料颗粒粒径

严格控制燃料颗粒粒径，一方面可以使燃料充分燃烧；另一方面，可以减小单个颗粒质量，使燃料颗粒对水冷壁的碰撞、切削作用降低。

5 结论

国内中、高压循环流化床锅炉数量众多，循环流化床锅炉由于其设计原理与运行机制，水冷壁的磨损是不可避免的，同时，也是该种锅炉最主要的失效形式之一。要想解决该问题，需要在锅炉的设计、制造、安装、运行等每个环节都认真对待。设计要合理，制造、安装要保证质量，焊口要与母材保持平整，机械硬伤、凹坑要补焊填充并打磨光滑；运行中在非必要情况下保持工况稳定，并优化参数来控制燃料颗粒的粒径，降低烟气流速、燃料颗粒浓度，从多个角度使锅炉减少爆管事故，延长使用寿命。