某厂MS109FA 燃气轮机性能加热器内漏浅析

刘 保

（福建晋江天然气发电有限公司，福建泉州 362251）

0 引言

某厂装有美国GE 公司MS109FA 燃气-蒸汽单轴联合循环机组，其前置模块由大连派思燃气系统有限公司提供的惯性凝聚式绝对分离器、管壳式性能加热器、旋风分离器以及电加热器等设备组成。机组于2009 年商业运行，运行有十年有余，近期性能加热器出现了内漏，管程的高温高压介质通过管壳泄漏点进入了天然气侧壳程，造成天然气温度下降，导致机组负荷下降事件。

1 事件背景

2019 年12 月31 日，某厂4#机DCS（集散控制系统）报“性能加热器外壳水位高”信号报警，检查性能加热器液位磁翻板显示为零，后DCS 又报“性能加热器外壳水位高高”信号报警，性能加热器自动退出运行，天然气温度降至139 ℃，机组负荷受限，热控人员将水位高高信号强制为零，手动投入性能加热器，并每2 h 进行手动疏水一次，天然气温度恢复正常，机组负荷受限释放。

机组停运后启动锅炉中压给水泵，保持性能加热器水侧压力5.3 MPa，对性能加热器气侧进行排水检查，有少许水流出后恢复正常；停运锅炉中压给水泵，打开性能加热器水侧排空阀，用危险气体检测仪检测排空管口危险气体，危险气体检测仪显示达100%LEL（可燃气体爆炸下限），确定为性能加热器内漏造成；次日性能加热器运行发现疏水袋内液位高信号出现由5 h缩短至2 h，判断漏点有变大趋势。

2 性能加热器内部结构

性能加热器为管壳式换热器，其中管程为液体介质，壳程为气体介质。两端半球形封帽分别用40 颗M36×360 mm 螺栓锁紧，管程采用579 根Φ19 mm×2 mm、L=7400 mm 的换热管连通，换热管的材质为20G 无缝钢管，并采用强度焊加贴胀的连接方式固定在管板上（图1）。换热管内设计压力7.6 MPa，换热管外与性能加热器容器间设计压力4.14 MPa，性能加热器容量按110%配置设计。

图1 换热管与管板连接

3 性能加热器漏点处理

3.1 打压查漏

将性能加热器两端半球形封帽拆除，在壳程用气体打压到设计压力4.14 MPa，用泡沫水封住每一根换热管的端口，检查换热管的泄漏情况；发现漏点在性能加热器端面中部的换热管且离管口约15 mm 位置，泄漏点为长3 mm 的纵向裂纹状（图2）。

图2 性能加热器换热管漏点

3.2 换热管堵漏

用直径为15 mm 的低碳钢圆钢切成两个约30 mm 的堵头，将堵头的一端打磨长度5 mm 的45°坡口，分别放入打磨后的换热管内，用氩弧焊进行封堵，在换热器壳程充入气体并打压到设计压4.14 MPa，立即进行保压试验12 h，未见封堵的换热管泄漏。

4 性能加热器漏点分析

4.1 换热管检查

用高压水枪将所有的换热管内壁氧化层除去，发现换热管的腐蚀现象较为严重，尤其在泄漏点的周围，腐蚀深度超过1 mm，运行时无法承受工作压力，在最薄弱部位产生了裂纹。随机抽取性能加热器管板上、中、下部的换热管，检查发现上、下部分的换热管均有不同程度的腐蚀且腐蚀深度超过0.3 mm，中间部位的换热管腐蚀程度比较严重，尤其在与性能加热器端盖进出口管水平位置的换热管腐蚀深度均超过0.5 mm，此处的换热管在运行中承受系统压力均有产生裂纹或砂眼的可能性，再次导致性能加热器内漏现象发生。

4.2 换热管腐蚀机理

性能加热器换热管材料是20G 优质碳素结构钢，其主要用于锅炉再热器、水冷壁、省煤器等，含碳量为0.16%～0.24%，抗拉强度为410 MPa，屈服点为230 MPa，长期使用时最高温度应＜450 ℃；机组运行期间换热管内壁充满锅炉给水，水的品质呈弱碱性，换热管内壁会出现一层致密氧化膜，减慢腐蚀速率；但结合现场的实际情况，某厂运行方式为昼起夜停式，加之近两年机组在网小时数从3000 h 骤降至1500 h，性能加热器连续运行时间缩短，冷态启动频率增加，导致换热管腐蚀速率提高，寿命降低。

从性能加热器结构分析，其进出水管均接在半球形端盖中心，当性能加热器停运后由于端盖上的放水阀一直处于关闭状态，容器内低于进出口管的部分的介质无法放出，导致低于性能加热器进出口管的换热管始终置于水中，而高于进出水管口的换热管会暴露的空气中，根据铁在潮湿空气氧化方程式：4Fe+3O2+2xH2O=2Fe2O3·xH2O 得出，在水和空气相邻部位的换热管内壁氧化过程速度较快。

由于机组频繁冷态启动，停运时间又较长，性能加热器水侧压力往复建立速率大幅度升高，加速了换热管内壁氧化膜的脱落，导致新的氧化发生。当换热管壁厚小于最小安全壁厚时，其材料的力学性能无法满足系统需求，导致换热管形成漏点，且腐蚀导致的漏点主要以裂纹形式存在，裂纹一旦形成其劣化速率非常快，导致性能加热器退出运行，甚至导致机组跳闸。

5 防范措施

5.1 加强保养

当机组计划长期停运时，性能加热器退出运行后，必须在水温＞100 ℃时进行放水操作，并及时打开排空阀进行通风干燥，减少换热管在潮湿环境中时间，从而降低腐蚀速率。

5.2 防腐处理

在机组大修期间可以对性能加热器换热管内壁彻底清理，并进行镀锌处理或者进行其他工艺防腐处理等，减小换热管内壁与潮湿环境的接触面积，从而降低腐蚀速率。

5.3 改善运行方式

两班制运行时，性能加热器退出运行后，及时关闭水侧排空阀，保证性能加热器内部充满水或者水蒸汽，尽可能减少换热管内壁与空气的接触时间，从而降低腐蚀速率。

6 结论

某厂S109FA 燃气机组性能加热器出现换热管内漏现象，主要是性能加热器管板中间部位的换热管腐蚀严重，换热管的力学性能无法满足系统需求，在工作压力下换热管失效，导致形成泄漏点，而上部及下部换热管也有轻微腐蚀；燃气机组的性能加热器已运行8 年时间，建议安排对换热管进行全面检查，尤其是换热管采用20G 优质碳素钢的性能加热器，防止出现跳机或紧急降负荷工况。