高压加热器泄漏原因分析、处理及防治

（陕西德源府谷能源有限公司，陕西 府谷 719400）

0 引言

陕西德源府谷能源有限公司的高压加热器由哈尔滨哈锅锅炉有限公司生产制造，卧式高加结构，机组采用单系列、卧式大旁路布置，由3 台高加及附件组成：即JG-2200-1 高加，JG-2170-2 高加，JG-1650-3 高加和附件。在高加内通过汽轮机抽汽对主给水进行加热。高加为逐级自流疏水，在正常情况时3 号高加疏水自流至除氧器。危急情况下高加疏水流至排汽装置，3 台高加抽汽汽源分别为一段、二段、三段抽汽。机组自2008 投产以来，出现了数次高加泄漏故障，影响了机组的安全及经济运行，通过与电科院和制造厂家的技术人员沟通讨论制定了处理方案和防治措施。

1 高加泄漏现象

2019 年6 月7 日下午，1 号机组总负荷为512 MW，3号高压加热器水位波动异常，水位高信号报警，事故放水打开，泄漏检测仪报警， 3 号高压加热器正常疏水调阀开度97%， 危机疏水调门频繁动作。给水温度明显降低，高加壳侧内部有水流冲刷声音，以此判断，3 号高加热器壳侧U型换热管发生泄漏。随后申请紧急降负荷，关闭高压加热器出入口阀门，锅炉给水倒换为旁路运行，关闭抽汽逆止阀和抽汽电动阀，将机组解列，对系统进行了隔离。

2 泄漏分析判断

通过对3 号高压加热器近段时间的运行参数进行对比分析， 判断为3 号高压加热器管侧泄漏严重，详细分析见表1。

表1 3 号高压加热器泄漏分析

根据表1 数据综合分析可知，随着时间的推移，2A/2B汽前泵的流量越来越大，小机转速排除主汽压力因素也越来越高。350 MW 负荷时，2A/2B 汽前泵流量增加约300 t/h， 450 MW 负荷时，2A/2B 汽前泵流量增加约400 t/h。3 号高压加热器的正常疏水调门开度也随时间的增加全开，同时2A/2B 的汽前泵电流逐渐增大。

3 高加的结构特点

3 号高压加热器是典型的卧式U 型管管板式换热器，其壳侧介质为蒸汽， 管侧介质为给水。抽汽在壳侧凝结成疏水。蒸汽在高压加热器内部对给水的加热分为过热蒸汽段、凝结放热段及疏水冷却段。#3 高压加热器压热器三段加热面积分配合理， 使其疏水逐级自流至除氧器， 能满足加热器的正常运行要求。3 号高压加热器的壳侧及管侧均设有超压保护装置， 管侧入孔门采用自密封结构。在加热器里在蒸汽入口处和给水入口处均设置有防冲板，防冲板的作用就是为了防止高压蒸汽和高压水对管子造成冲蚀。加热器水室组件包括给水进、出口接管、水室包壳及人孔端盖等如图1 所示。

4 高压加热器泄漏原因分析

4.1 高温腐蚀

将机组3 台高压加热器的主要参数分类列出，进行对比分析。根据表2 工作参数的对比可知， 3 号高压加热器相比其他2 台的壳侧压力最低， 进汽量也最少，但是进汽温度是最高的，给水温度却又最低。加热器的管侧设计压力为28 MPa，而壳侧的压力为2.3 MPa，两者压力相差12 倍之多，两者温差最大256℃， 所以3 号高加的运行条件最为恶劣。根据哈尔滨锅炉厂有限公司提供的图纸，U型换热管的材质为SA-556Gr.C2，该材质的使用温度上限是450℃， 3 号高压加热器的加热蒸汽温度在机组运行时为420℃~460℃。实际运行的时候会有超温的时候，U 型换热管的尺寸为Φ15.88×2.2mm，管壁很薄，腐蚀余量很少。由于3 号高压加热器的壳侧压力较低，连续排空气压力与除氧器压力差较小， 这样就容易使3 号高压加热器无法正常连续排空气，导致非凝结气体的积存，所以在长期超温的情况管系的腐蚀加速。由此分析得知， 高温腐蚀是造成我厂3 号高压加热器管系泄漏的主要原因。

图1 3 号高压加热器示意图

表2 高压加热器主要参数对比

4.2 高压加热器在投运或停运过程中操作不当

高压加热器投运前暖管时间不足，在投运过程中温升速率超过规范，换热管壁厚薄，吸热快，与换热管连接的管板厚（δ=620 mm）吸热慢，两者在同一时间的热膨胀系数不一致，换热管在膨胀的作用下产生变形。高加停运时，降温速度过快，高加上部的U 型管束温降滞后于下部，从而形成较大的温差，产生热变形。产生了热应力，U 型管和管板膨胀量不一致，管子和管板之间的角焊缝或胀接处发生损坏。设备长时间超负荷运行，会引起管系异常振动和高强度冲蚀，加速管子的损坏。

4.3 冲刷侵蚀

高压蒸汽从蒸汽入口管进入壳侧，高压蒸汽会被防冲板阻挡并分散进入壳侧，因防冲板材料和焊接质量存在问题，在运行中破损或脱落，失去了防冲刷的作用，高压蒸汽的流速很高，在气流中会有水滴，U 型管经长期的汽、水两项流冲刷，管壁就会变薄，直至爆裂。图2 为蒸汽入口下方的U 型管破损照片。壳侧的水从疏水吸入口进去疏水包壳，由疏水出口排至除氧器，疏水包壳内有一定的压力，同在壳侧，疏水包壳内压力和汽侧的压力相差较大，由于疏水包括焊接质量不良等原因，设备运行中会产生振动，振动加速了疏水包壳焊缝的开裂，疏水包壳一但泄漏就会造成壳侧汽、水混合，水中含有大量的气泡，不断冲蚀着附近的换热管，出现爆管现象。

图2 蒸汽入口管下方管子破损图

4.4 U型换热管震动

U 型换热管在壳侧中穿过定位孔板，定位孔板起到支撑和固定固定的作用，当给水温度过低或者机组超负荷运行时，蒸汽流量和流动速度超就会过设计值，有弹性的管子在就会产生振动，当激振力的频率与U 型换热管自然振动频率一致时，U 型换热管产生共振，振动幅度大大增加，管子与定位孔板管孔产生摩擦，随着时间的推移，U 型换热管管壁变薄，直至破裂。管子与管板连接处也会随着振动的加剧而超过材料的疲劳持久的极限，致使胀接部分松弛和管端角焊缝发生泄漏。

4.5 水质腐蚀

3 号高压加热器使用的U 型换热管材质为SA-556Gr.C2 的碳素钢，碳素钢在给水中的pH 值过低或者含氧量过高时，会受到腐蚀，管壁变薄。由于凝结水系统、真空系统及给水泵多级水封易破坏等原因致使给水溶氧长期超标（大于7μg/L）， 管壁金属在表面形成的氧化膜被高紊流度的给水破坏并带走， 金属材料不断损失， 最终导致管子的破损。有时损坏面可以扩大到管端焊缝甚至管板，由此造成了换热管胀接部分的松弛。

4.6 材质、检修工艺不良

高压加热器在制造厂生产时，U 型换热管的采购可能会出现壁厚负偏差，或者管子检测盲区有缺陷，换热管子穿管受阻时，出现强力穿管的现象，换热管表面会出现或深或浅的划痕，未能及时发现，就将隐患留在了设备上，这些缺陷在高压加热器运行的某一阶段就会发生泄漏。在检修期间，发生泄漏会采用焊接堵销的形式进行堵管处理，当堵销安装不合理，堵销插入管口太深就会把管口挤变形，影响到附近的管孔，使之出现新的泄漏。

5 高加泄漏对机组的影响

当换热管发生泄漏时，高压水会冲损管周围管束，造成周围管束爆裂，泄漏愈加严重，为减少爆管数量，应立即将高加进行解列，退出系统运行。管侧工作压力为20 MPa，壳侧工作压力2.3 MPa，两侧的工作压力相差很大，高加泄漏造成管侧的高压水就会进入到壳侧，壳侧水位急剧升高，而水位保护器不能及时动作，水位将逐渐淹没U 型换热管，换热面积减少，当水位持续上升会淹没蒸汽入口管道，甚至会进入汽轮机缸体内，造成汽轮机水冲击事故。高加解列退出后，缺少换热设备，锅炉给水的温度不够，若要达到正常负荷的情况下，就需要提高炉膛的热量，增加燃煤量，能耗过高不节能、不经济。高加泄漏直接影响高加投运率。

6 泄漏处理措施

高加泄漏的位置几乎都在壳侧的U 型换热管，少部分在管板侧角焊缝，由于高加的结构不能采用更换U型换热管的方法，也不能在壳侧进行处理。所以处理方式只能在管侧（水室），采用堵销的方式将泄漏的换热管进行封堵，U 型换热管管口均在管侧，一上一下的2 个管口都要进行封堵。高压加热器解列停车，待设备自然冷却至55℃以下，不可采用强制风冷或拆除设备保温进行快速降温，此时解体高加水室入孔装置，拆除牵制螺栓，取下入孔端盖。水室内作业空间狭小，作业前应采用压缩空气或者风扇进行通风，保证作业人员的安全。水室内部的给水管口上部要做好隔离，拆除管板上的防冲板，查找泄漏的管子。如果是抢修，时间比较短的情况下，可采用壳侧打气压，在管侧管板上涂上肥皂泡进行查漏，否则应采用涡流逐根换热管进行检测，检测到缺陷管、壁厚减薄率超过标准规定的管、泄露爆管的进行标记，并做好记录。涡流检测准确率高，设备维修后不会留下安全隐患。加工足够量的堵销，堵销是个上粗下细的圆柱体，最大直径为管口内径增加0.5 mm，最小直径为管口直径减少0.5 mm，堵销上加工膨胀孔，堵销长度为50 mm 为宜。堵销材质应选用与换热管材质相匹配。对于泄漏的管口应进行打磨，去除原始焊缝，堵销差入管孔，用手锤轻轻砸进，堵销砸至高出管板2 mm 左右即可，为保证焊接质量推荐使用手工氩弧焊焊接堵销角焊缝，焊缝要饱满，焊后做渗透检测合格。无论使用何种堵管工艺，为了保证堵管的质量，被堵管的端头部位一定要经过良好的处理，使管板、管孔圆整、清洁，与堵头有良好的接触面。在管子与管板连接处有裂纹或冲蚀的情况下，一定要去除端部原管子材料及焊缝金属，使堵头与管板紧密接触。图3为U 型换热管管口处泄漏点焊接修复完成照片。

图3 管口处泄漏点焊接修复

7 高压加热器泄漏防治措施

7.1 加强质量和成品保护

高压加热器在生产制造时，要保证原材料质量过关，保证焊接质量，不能忽视蒸汽挡板和疏水剥壳的焊接质量，在U 型换热管穿管时，不可用金属锤击，以免对管子造成损伤，高压加热器整体运输和安装期间，要定期检查高加充氮保护压力是否正常。根据施工计划安排，最后节点拆除充氮保护装置，最大程度地保护换热管不被腐蚀。

7.2 控制运行参数

设备运行和停车时要严格控制升、降温速率，压力及温度的骤变不得超出设计规定值，防止高压加热器内产生热应力而变形，减少换热管振动。设备温度升、降温速率为：给水温升小于等于5℃/min，温降小于等于2℃/min。运行中不断的调整水位，水位一般在1/3 为宜，不能出现干烧现象。严格控制水的pH 值和含氧量，给水pH 值维控制在9.1~9.5 。溶解氧的含量不得超过7 pg/L，如果壳侧有氧气的存在，将会引起U 型换热管外壁的氧腐蚀，疏水中的Fe离子含量控制在20 μg/L~30 µg/L，减少对换热管的腐蚀。

7.3 及时发现和处理事故

当系统发生异常，如壳侧水位明显上升，给水泵的出力不正常等情况时，说明管系发生泄漏，一旦确认是换热管发生泄漏，应将问题高加申请尽快退出运行，并进行检漏，如果继续运行就会使周围的换热管也发生泄漏，而造成更大的损伤。在机组无负荷及高加紧急停运时，立即切断高加汽、管侧，检查抽汽逆止阀、电动门是否关严，防止蒸汽继续进入壳体加热不流动的给水，引起管子热变形，而切断给水可避免抽汽消失后给水快速冷却管板，引起管口焊缝产生热应力变形。高加加热器停运时间过长（超过30 d）应该对高加管侧进行防锈处理，如充氮保护。

8 结语

通过高压加热器的结构特点得知，在整个系统中，工作环境最恶劣的就是3 号高压加热器，管系内外压差、温差最大，所以非常容易发生管束及管板焊接处泄漏。通过对3 号高加的论述，总结出对高加泄漏的原因、处理方案及防治措施，在整个机组当中，1 号、2 号高压加热器也同样会出现泄漏的情况，只是出现泄漏频率较少而已。出现泄漏情况主要是由于设备运行的操作不当等综合因素，加速了泄漏的发生。因此，采取有效的预防措施及科学的运行方式不仅可以极大程度减少高加的泄露，更能通过高加投运小时数的增加，提高电厂机组运行的安全稳定及经济运行。