亚临界机组末级过热器氧化皮堆积爆管原因分析及预防

张 磊， 董卫东， 丁士发

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240；2. 青铜峡铝业发电有限公司， 宁夏青铜峡 751600)

为了满足社会电力需求，我国能源行业不断发展，火电机组从早期担当着提供电力负荷的重任，到现今调峰调频配合新能源发电，随着累计运行时间的不断提升，机组长久运行下来，对设备的安全性和可靠性挑战越来越高，运行控制也更加复杂。近年来，我国大型超临界和超超临界机组都或多或少存在高温受热面氧化皮堆积的问题，影响火电机组安全运行。针对超临界和超超临界机组因为受热面管壁温度高容易产生氧化皮的研究有很多，刘定平[1]对超临界机组长时间运行氧化皮生成和剥落进行了机理和预防研究。吴学庆等[2-4]对600 MW超临界机组氧化皮爆管进行分析并提出预防建议。由于亚临界机组参数不高，受热面管壁温度不高，氧化皮问题不明显，在这方面的研究不多。但是随着机组长时间运行，亚临界机组也出现了氧化皮堆积的问题，末级过热器尤为严重，甚至堵塞管排造成爆管，因此针对亚临界机组末级过热器氧化皮堆积爆管问题的分析刻不容缓。笔者针对某电厂330 MW亚临界机组锅炉末级过热器发生多次爆管问题进行了分析，并提出预防措施，以确保机组长期安全运行。

1 爆管情况

该电厂2台330 MW燃煤空冷机组锅炉为1 170 t/h亚临界压力一次中间再热自然循环锅炉，四角切向燃烧方式、燃烧器摆动调温、单炉膛平衡通风、固态排渣、全钢构架的П形汽包炉，采用紧身封闭布置，配置5台中速磨煤机。末级过热器集箱材质为12CrMo1V，顺着烟气流通方向管道材质分别为T23和T91，规格为51 mm×7 mm。蒸汽由屏式过热器出口集箱出来经过过热器二级减温器连通到末级过热器入口集箱。末级过热器处于水平烟道后半段，主要以对流方式吸收烟气热量，单片管屏结构见图1。

图1 末级过热器单片管屏侧面图

2018年10月17日和11月11日相继发生两次爆管，爆管位置为末级过热器中间第41、第42排管屏的2号和3号管道，爆口位置均正对集箱三通底部管排下U形弯处。

2018年10月17日，1号锅炉末级过热器(共81排)的低温段第42排向火侧第2根管(简称42-2管)弯头处爆管泄漏，裂口长约50 mm、宽约2 mm，刺破第42排第1根管(简称42-1管)弯头造成42-1管泄漏(见图2)。

图2 2018-10-17末级过热器爆管形貌

后续割管检查发现，发生爆裂泄漏的42-2管内堆积大量的氧化皮(见图3)，已造成管道堵塞。

图3 42-2管内氧化皮堆积形貌

经过紧急抢修换管再启炉运行，2018年11月11日，1号锅炉末级过热器中间第41排第3根管(简称41-3管)下弯头向火侧爆裂泄漏，裂口长约40 mm、宽约1 mm(见图4)。后续检查发现41-3管、41-2管(第41排第2根管)、42-2管中均存在大量氧化皮。

图4 2018-11-11末级过热器爆管形貌

氧化皮主要集中在两个部位(见图5)：第一个部位在正对末级过热器进口集箱三通的下部管屏(第41排管屏、第42排管屏)的2号管和3号管下U形弯处和出口集箱下S形弯处；第二个部位在正对末级过热器出口集箱三通的下部管屏(第41排管屏、第42排管屏)的2号管下S形弯处。

图5 第41、42排管屏氧化皮堆积示意图

根据调查其他电厂同类SG-1165/17.5型锅炉末级过热器在长时间运行后在中部管排相似位置均发生过类似氧化皮堆积爆管泄漏问题。

2 爆管原因分析

收集2018年10月、11月的运行数据，对末级过热器41-2管、41-3管、42-2管壁温与其他管屏的壁温、负荷、末级过热器出口蒸汽温度的曲线趋势进行对比， 41-2管、41-3管、42-2管壁温与末级过热器其他管屏的壁温存在明显差异，在机组运行初期温度就比其他管屏的壁温高，在满负荷时温度普遍高20～30 K，且这3根管的壁温变化与出口蒸汽温度不相关，随负荷变化而变化，说明锅炉启动时末级过热器中部管排中蒸汽量不大，氧化皮已造成堵塞。在2018年10月17日爆管后再次启炉运行，41-2管、41-3管、42-2管在满负荷时温度达到575 ℃左右。因末级过热器的壁温测点安装在末级过热器出口集箱下部1号管近集箱处，管排的其他部位的实际运行壁温可能比测量壁温更高。末级过热器泄漏部位组织老化严重，42-2管裂口区域金相等级为3级，41-3管裂口区域金相等级为4级，符合长期过热的爆口特征。

内窥镜检查末级过热器进口集箱、出口集箱以及部分割断检查的管排均发现大量氧化皮剥落的痕迹(见图6)。

图6 末级过热器进口集箱内形貌

管排中氧化皮阻塞造成流通蒸汽减少，表现为管屏的壁温与蒸汽温度变化无关，只与烟气侧的变化有关。

图7是从集散控制系统(DCS)中每隔2 min采集的停炉时末级过热器部分管屏的壁温与主蒸汽温度变化关系，在爆管泄漏停炉过程中末级过热器中部管屏42-2管壁温与41-3管壁温度不同于第7排第1根管(简称7-1管)壁温的变化情况，7-1管中没有堵塞，其壁温与主蒸汽温度变化情况一致，而中部管屏2号管和3号管因氧化皮堵塞，管内蒸汽流量极小，壁温变化只与锅炉负荷情况有关，与主蒸汽温度不相关。末级过热器入口下U形弯长时间处在超温的状态，最后导致爆管。

图7 停炉阶段末级过热器壁温随时间变化

3 氧化皮积聚原因分析

末级过热器进、出口集箱材质为12CrMo1V，低温段管道的材质为T23，高温段管道的材质为T91，第41排管屏和第42排管屏割管倒出的氧化皮形状见图8。经过能量色散谱仪分析，氧化皮平均成分中w(Al)=2.76%，根据文献[5]与文献[6]中对T23和T91氧化皮成分的分析，管内堆积的氧化皮为T23氧化皮。长期超温运行会加速产生氧化皮，但是产生的氧化皮很少会积聚成块，通常会随同蒸汽进入后部设备。

图8 管排内堆积的大量氧化皮形貌

末级过热器中部管屏因为氧化皮问题造成蒸汽管道堵塞，蒸汽流量减少，管道长期超温，最终导致蠕变爆管。氧化皮产生聚集的主要原因如下：

(1) 机组启动过程中，由于蒸汽流量小，投用减温水控制汽温，造成汽温波动大，引起管道内部长期氧化皮脱落并逐步堆积。

(2) 锅炉检修后水压试验时，水没有排放干净，启动时容易造成水塞，造成管壁温度大幅波动，导致氧化皮脱落。

(3) 在进行水压试验时排气疏水存在1 MPa左右负压，末级过热器低温段各管道中T23产生的大量氧化皮带入进口集箱中，氧化皮在集箱中往三通入口处汇集，同时负压不足以带走氧化皮，入口集箱三通管正对着第41排、第42排处于低点的2号管和3号管，形成氧化皮沉积。同样的，在出口集箱，2号管沿程阻力大，集箱出口处沉积的氧化皮落到大S形弯处与上升蒸汽形成动态平衡，形成淤积(见图9)。

图9 进口集箱氧化皮流向示意图

4 预防及治理措施

(1) 锅炉受热面检修时对末级过热器中部管排加强检查，及时清理产生的氧化皮，同时保证管排焊接质量，做好探伤复查等工作，避免水压试验时末级过热器氧化皮剥落汇集到中部管排。

(2) 在机组启动初期不使用微油点火或者等离子点火，采用大油枪暖炉，燃烧优质煤种，控制燃烧量，使炉膛均匀受热，避免煤粉剧烈燃烧造成烟气温度大幅波动；同时，通过调整相关风量，增加其他受热面的吸热量，减少屏式过热器的吸热量，控制过热器二级减温水投入量，尽可能不投入二级减温水，避免减温水造成蒸汽温度低于饱和温度，引起末级过热器水塞。

(3) 在机组大修时，对末级过热器T23材质管排进行更换，同时改造末级过热器进、出口集箱内部结构，避免氧化皮汇集到三通底部中部管排内，同时调整中部管排出口集箱下部S形弯结构，减少沿程阻力，避免氧化皮积聚。

5 结语

亚临界机组锅炉末级过热器氧化皮生长堆积是一个复杂的过程，与受热面的材料和结构、机组的启停方式、升降负荷情况、锅炉燃烧状况、运行方式等都存在着关联。与超(超)临界机组不同，亚临界机组管壁温度相对较低，氧化皮产生情况与锅炉启停方式、减温水投运情况等关联度更大，特殊的受热面管排结构容易造成堆积。这就要求电厂在相应的方面采取有效预防和治理措施，减缓氧化皮生长，避免氧化皮聚集，降低爆管风险，提高机组安全性。