电站锅炉顶棚管泄漏的分析与处理

安娅琳 孔妍 吕凯

摘  要：某电站锅炉投入运行后频繁发生顶棚管泄漏事故，根据泄漏情况和发生频率，有针对性地对泄漏部位进行割管并作宏观检测，通过对管子爆口附近金属材料进行金相检验并对日常运行数据、设备运行特点、水质化验记录和锅炉结构等各方面因素加以分析，查找出了事故的主要形成原因，确定了易发生顶棚管爆管的位置，有针对性地提出了相应的解决方案，并对方案实施后的效果进行监测。

关键词：顶棚管;泄漏;结构因素

中图分类号：TK229        文献标志码：A

0 概述

某电站锅炉投用后，炉内靠近两侧墙的第1、2根顶棚管频繁发生爆管，爆管发生在顶棚管中段。使用单位将泄漏的水冷壁管段进行了更换，将向火面用5 mm耐磨耐火浇注料进行了保护，希望通过绝热的方式降低壁温，延长其使用寿命。但是运行不到1年，该顶棚管再次发生了爆管。

该电站锅炉为自然循环、单锅筒循环流化床锅炉，设计额定蒸发量为220 t/h，额定蒸汽压力9.8 MPa，额定蒸汽温度540 ℃。锅炉稀相区为方形设计，燃料为煤+煤泥，可以掺烧煤泥比例近50%，具有较大的负荷比，可以在30%的负荷下，不投油稳燃。锅炉采用了水冷布风板，其循环回路有2个部分。1）两侧墙水冷壁有各自独立的上下集箱，水经集中下降管和分配管进入下集箱，经侧墙水冷壁进入上集箱，再有汽水引出管将汽水混合物引至锅筒。2）前后墙水冷壁共用一个上集箱，水经集中下降管和分配管进入前水下集箱，有一部分水经前墙水冷壁进入上集箱，另一部分水经水冷布风板的管子进入后水下集箱，然后经后墙水冷壁、顶棚管也引至上集箱，再有汽水引出管将汽水混合物引至锅筒。顶棚管是后墙水冷壁管的延伸部分。水冷壁管规格为Φ60mm×6mm，材质为20 G。

1 原因分析

1.1 检验情况

为了分析爆管原因，对爆管及爆破口附近管子进行了检验，并进行了割管检查。现场检查发现，爆破口开口较小，边缘不规则，附近管壁经测量无明显减薄和胀粗，爆破口区域有垂直于管子轴的横向裂纹，不符合长期超温爆管和短期超温爆管的特征。割管后，将爆破口附近的管子沿纵向剖开，发现内壁存在大量横向裂纹，裂纹缝隙内壁较大，在向外壁发展的过程中，逐渐变细至消失。明显可以看出，裂纹是先在内壁产生再向外不断发展的。管子内外壁未见明显腐蚀迹象，内壁也未见水垢及其他腐蚀产物，除裂纹外，无其他异常情况，如图1所示。

金相检测中所发现的裂纹区域管子的微观形貌表明，裂纹具有穿晶特征，尾端较尖锐，内部有腐蚀产物，如图2（a）所示。裂纹附近区域金相组织为铁素体和珠光体，晶粒内部有断续网状类似晶界的组织，如图2（b）所示。爆管的管子内壁远离裂纹区域的管段金相组织为铁素体和珠光体，珠光体区域完整，根据《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》DL/T674—1999，组织球化评级为2级。可以看出，其裂纹的的形貌具有热疲劳裂纹的特征，裂纹附近金相组织虽然具有超温导致组织变化的形貌特征，但是管子的泄漏的主要原因并不是因为超温，主要还是因为热疲劳形成了裂纹，随裂纹的扩展造成管子承压能力下降，从而导致爆管泄漏。

1.2 使用情况

查看水质化验记录，和取样分析对照，确认给水和炉水的水质均符合GB/T 12145—2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》标准要求。爆管内壁无裂纹管段的割管检查也表明，水冷壁内壁无明显结垢和腐蚀现象。查看运行记录，发现该锅炉，大多数情况下，运行负荷较低。低负荷运行时，锅炉会出现炉内传热不均，造成受热面管子出现较大的热负荷偏差，导致水循环故障。

由于该电站锅炉主要是掺烧煤泥，因为灰量较多，导致炉内上部灰颗粒浓度较高，循环流化床锅炉水冷壁的换热主要是辐射换热和对流换热，而物料浓度对辐射换热和对流换热均影响较大，因此掺烧煤泥的锅炉，其上部的换热量高于传统循环流化床锅炉。这也使得顶棚管受热较强。

1.3 结构因素

根据锅炉循环回路特点，发现前墙水冷壁循环流量要大于后墙水冷壁。在下降管从前水下集箱供水的情况下，顶棚管由于进出口高度差小，布风板水管无高度差，在后墙水冷壁的整个循环回路中，增加阻力较多，几乎不提供循环动力，循环动力主要还是后墙水冷壁垂直段和下降管之間的液体密度差，因此前墙水冷壁的水循环量阻力明显小于后墙水冷壁，循环动力相差不大，从而前墙水冷壁会发生抢水现象，对后墙水冷壁的循环造成不良影响。而对布风板水管、后墙水冷壁下集箱、后墙水冷壁管的结构进行分析，发现布风板水管为45根Φ83×8的管子，后墙水冷壁为96根。布风板中间区域水管，每根管子与后水冷壁集箱连接的位置都对应2根后墙水冷壁管，但左、右侧第1根布风板水管进入的位置，每根对应3根后墙水冷壁管。这样在角部的后墙水冷壁管就容易出现供水不足的现象。

从传热上看，后墙水冷壁2个角部的管子本身受炉膛辐射热较弱，为避免磨损（循环流化床锅炉角部磨损通常较严重），又采用了浇注料覆盖的方式，进一步降低了传热，而从结构上，后墙水冷壁2个角部的管子循环流速最低、最容易造成水循环故障。

从布置情况看，在循环流速较低的情况下，倾斜的顶棚管内易出现汽水分层和蒸汽聚集，造成局部汽塞。这些都增大了流动阻力，使管子的冷却进一步恶化，在某个区域内出现蒸汽管段，造成传热恶化，使该管段壁温较高。当蒸汽在水管内积聚到一定量时，上升管压头会变小（也存在顶棚管蒸汽由于过热和锅筒饱和水混合后，体积瞬间减少，导致压头下降的可能），稳定状态被破坏，蒸汽进入锅筒空间，顶棚管内蒸汽减少，原本通过蒸汽冷却壁温较高的管子，重新被水冷却，使管子向火面出现较大的温差应力;当水再次加热产生较多蒸汽时，上升管压头又会逐渐变大，流速再次下降，顶棚管内再次出现蒸汽积聚的现象，如此周而复始，最终因局部区域金属壁温发生周期性波动，在管子中产生交变热应力，导致热疲劳破坏。

1.4 原因分析

从上述分析看，爆管的顶棚管是由于水循环流速较低，局部产生蒸汽，导致传热恶化，使管壁温度发生周期性剧烈波动，产生交变应力，造成顶棚管热疲劳破坏。局部的结构不合理和低负荷运行是造成局部水循环流速过低的主要因素，而煤泥的掺烧强化了上部水管的换热，加剧了这一现象的发生。

2 处理措施

为了减少两侧后墙水冷壁管的流动阻力，减少其他水管抢水的现象，将两侧最外部的一根布风板水管进行加粗，由Φ83mm×8mm的管子更换为Φ89mm×8mm的管子，与前后墙下集箱的连接采用100 mm长的Φ89mm×8mm变Φ83mm×8mm的大小头进行了过渡;对顶棚管2侧左右各3根进行了管段更换;同时为了减少受热不均，尽量避免锅炉低负荷运行，减少炉内热偏差。对角部的浇注料，考虑磨损因素，未进行去除。在考虑了角部浇注料对吸热的影响后，水动力计算表明，改造后能满足要求。改造后至今已运行3年多，未再出现裂纹泄漏现象。

参考文献

[1]李贵海，刘国强，侯亚琴，等.锅炉水冷壁爆管泄漏事故分析[J]. 山东电力技术，2016，43（3）：45-47.

[2]闫俞廷，牛立斌，龙裕轩，等.某超临界600MW机组锅炉水冷壁管泄漏原因分析[J].理化检验（物理分册），2019，55（11）：779-785，803.

[3]叶江明.电厂锅炉原理及设备（第四版）[M].北京：中国电力出版社，2017.