火电厂锅炉受热面失效原因及防治措施

摘 要：受热面是锅炉热能转换的关键构成部分，设备运作情况是与锅炉运作安全以及稳定程度具有直接联系的。本文主要分析了火电厂锅炉受热面失效的原因，再针对各项原因一一提出对应的防治方案，以期为火电厂锅炉安全、持续、稳定运行提供有力保障。

关键词：火电厂;锅炉;受热面;失效;原因;防治

在火电厂中，其锅炉的受热面管主要涵盖了省煤器、水冷壁、過热器以及再热器，人们常将此四项称作锅炉“四管”。而“四管”发生泄漏问题是导致火电厂异常停机最常出现、最为普遍的原因之一，通常来说，在机组异常停机事故之中大约占一半以上。当锅炉受热面出现爆管事故之后，就会给电厂的安全作业以及经济利润产生严重影响，为此，加强对受热面失效原因的分析与探究具有一定必要性。

1 磨损

1.1 失效现象

一般发生磨损最为严重的区域便是省煤器烟气入口与出口部位，特别是错列分布的第二和第三排管道。同时，过热器与再热器的烟气入口部位弯头，出列管道与横向结局不均匀管道，燃烧器周围的水冷壁管道，穿墙管楼风口等部位也容易产生磨损。从物理学角度分析，磨损的性质属于固体粒子间的相互冲刷，主要的磨粒成分有氧化铁、氧化硅、氧化铝，以及飞灰中夹杂的焦炭颗粒。尤其是当管道受热面和飞灰冲蚀角度成30°～45°之间时，产生的磨损最为严重。而且磨损往往表面处于较为光滑的状态，表现为灰色，且金属物质没有发生变化，管径通常也不会发生涨粗现象，管道受热面由于磨损而变薄，直到发生泄漏[1]。

1.2 失效原因

燃煤锅炉飞灰内夹杂的高硬度颗粒冲蚀管道表部，引起磨损。烟气内腐蚀性较强的情况下，管道表部磨损与腐蚀作用会彼此促进，导致恶性循环。磨损率和飞灰粒子流速的3～3.5次幂成正比例相关。当烟气速度达到每秒30～40米之时，磨损十分严重。管道局部烟气速度太高是导致受热面磨损的关键原因。局部结垢异常、燃烧方式所引起的烟气流动不均、锅炉中存在烟气走廊与堵灰都会导致局部烟气流速太高，从而使得管卡、固定卡等发生机械磨损。

1.3 防治措施

需控制省煤器部位的平均烟气流速不高于每秒9～10米。对于省煤器内部结构加以合理设计，全面防范局部烟气流速太高的问题。例如，调整为膜式省煤器;在容易磨损的位置装设防磨罩;在烟气走廊部位装设均流元件;管道喷刷防磨材料。

2 焊缝泄漏

2.1 失效现象和原因

焊接是火电厂锅炉受热面制造安装过程中最常见的一道流程，经过焊接措施把每个零部件连接为一体，并且受到各方面因素的影响容易使得焊接质量存在缺陷，而此时就会导致受热面产生泄漏进而酿成安全事故。焊缝缺陷主要包括下述几种：未焊透、咬边、夹渣、气孔、裂缝。造成这些缺陷的主要原因在于焊接操作不够规范合理。例如，若是对于环节材料未进行严格的管理，未将其充分烘干，焊接之前未对母材表面加以清洁，就有可能引起焊接质量缺陷;对于焊接温度以及速度未做到严格把控，就极易在焊缝内产生气孔;焊接前后对于热处理工作落实不到位，也会形成焊接裂缝;在检修过程中若是强力对口，就会使得残留应力太高，从而在运作期间因为膨胀不通畅而产生泄漏问题。焊缝泄漏是引起受热面失效的一项关键性因素，为此必须要强化对焊缝的质量管控[2]。

2.2 防治措施

伴随着火电厂内机组容量的持续提高，焊缝数目也随之增多，因此提升焊缝质量极为重要。在焊接前应当做好对应的准备工作，强化对焊材的储存保管工作，选取质量、型号适宜的焊材，且在焊接之前需要对焊材实行充分的烘干处理;提供良好的焊接施工环境，落实好防风、防雨等工作，减轻外部因素给焊接质量带来的影响;保证每一位焊接工人均是持证上岗，而且具有丰富的工作经验，能够熟练、规范地完成各项焊接操作;强化焊后热处理工作，避免残留应力给焊缝质量带来影响;落实好无损检测工作，可按照具体状况采用合适的检测方法，便于及时发现焊接质量问题，并加以及时解决;不得在检修环节发生强力对口的行为，对具有残留应力的焊缝需通过合理措施加以消除。

3 短时超温爆管

3.1 失效现象和原因

短时超温爆管往往发生火灾水冷壁内，主要形成原因是受热不均匀，冷却条件恶化导致管壁温度骤然提高，在管壁温度高于材料下临界点之时，材料强度便会下降，而当其正好处于高温高压的运作环境下便会产生爆管。若是炉膛中动力场处于不够稳定的状态，火焰中心发生偏移，便会使得水冷壁局部热负荷太高，从而产生短时超温爆管的问题;在水冷壁内若是发生焊瘤、夹渣或是其他异物阻塞等问题，又或者是管中结垢太过严重，均会使得管中汽水无法顺畅循环，当汽水分配不均匀之时便会产生短时超温爆管的问题，锅炉内重度缺水也是导致短时超温爆管的一项常见原因。在爆口部位会出现明显的塑性变形，同时管径涨大、管壁变薄，在辨别原因时可按照管中超温面积、数目以及位置加以确定[3]。

3.2 防治措施

改进调节锅炉受热面结构，保证介质可以均匀流畅分布运作;优化锅炉内燃烧情况。基于对煤粉质量、送风参数管控等方法，改进火电厂锅炉运作情况，避免发生火焰偏移或是贴墙等问题;强化对管道中异物的清理，定期核查受热面下弯头部位是否存在异物或是氧化皮等沉积物堆积情况，若有发现需立刻清理;及时核查锅炉内的供水状况，确保受热面具有充足且稳定的冷却水供应;在锅炉运作期间，强化对受热面管壁温度与锅炉中燃烧状况的检查，在发现问题的第一时间进行调节，防止受热面由于短时超温而引发爆管问题。

4 长时超温爆管

4.1 失效现象和原因

按照锅炉使用途径与运作环境，在进行受热面设计之时需要选取合适的材料，而且要设计好锅炉运作的每项参数，从而保证锅炉受热面运作的安全性与使用年限。若是在实际运作期间受热面管壁温度长时间是高于设计温度，便会导致受热面材料力学性能下降，进而出现蠕变破裂，不但会缩短受热面使用年限，同时还会导致锅炉无法安全、稳定的运作。受热面长时间超温爆管，多是因为长期处在管材可容许温度范围内运作，使得管壁产生氧化应力裂缝。高温腐蚀通常是高温后积灰产生的内灰层中含有碱金属，其与烟气内含有的二氧化硫发生反应产生复合硫酸盐，以熔化或者是半熔化的状态凝聚在管道中，使得管壁表部氧化膜受到破坏而导致的。锅炉高温腐蚀可分为熔盐腐蚀与气相腐蚀，前者主要是管外壁粘聚的碱金属硫酸盐和烟气内的氧化硫互相作用，和管壁氧化层发生反应，以此转变成复合硫酸。复合硫酸盐在温度为550℃～710℃的状态下呈现为液态，而此时其对于过热器管壁存在较强的腐蚀效果，特别是在650℃～700℃范围内腐蚀作用最强[4];后者则是因为烟气内含有的氯化氢、氧化硫等各种腐蚀性气体和金属离子发生反应，从而形成了氯化铁、硫化铁，而这些物质都具有易挥发性，所以会持续随着烟气流动而被带走，暴露在外的铁元素也会和源源不断通入的氯化氢、氯气等发生反应，并且此种反应的速度会伴随环境温度的提高而增快。锅炉中的烟风动力场处于不合理状态也会使得炉膛出口部位的烟气分布不均匀，在产生余旋时，就会引起末级过热器超温运作。在管壁蠕胀值临近或是小于规定范围之内时，便会使得管道爆裂，而且爆口边缘通常比较厚，断裂面较为粗糙、不太平整，同时在靠近火源一侧内外部中会存在许多纵向裂缝。

4.2 防治措施

为降低锅炉受热面由于长时超温爆管所引起的失效，可按照锅炉燃烧环境选取组织稳定性更为优秀的材料作为受热面材料，提升受热面耐高温能力;强化对燃煤的管控，严格依照设计规定选取煤种;做好对减温水温度与质量的管控，防止由于水温太高与管壁结垢所引起的超温问题;把控好锅炉燃烧工况，控制好燃烧参数，保证锅炉中烟风动力场处于稳定状态，防止由于火焰偏移和出口烟温太高而引起的管壁超温问题;提高对受热面温度的监控，在合理的位置安装温度监测点，保证监测结果具有代表性以及准确性;在检修时对锅炉受热面材料实行取样检测，如果发现材料已经老化需要立即替换[5]。

5 热疲劳

5.1 失效现象

在管道表部形成裂缝，而且沿管壁发展。管外壁形成较多不平等的疲劳裂缝，管道内壁形成横向裂缝，呈现为网状;管道外壁疲劳裂缝呈现为短粗状，而内部则为细长状，裂缝内夹杂着腐蚀介质以及腐蚀产物;裂缝走向是穿晶型，金属组织没有产生变化。热疲劳损伤出现在水冷壁管燃烧部位、蒸发沸腾部位以及过热器管道的弯曲位置。

5.2 失效原因

锅炉管道受到交变应力从而产生疲劳损坏;根据基本符合设计的机组调整为调峰负荷运作;炉膛吹灰可能导致管壁温度突然发生较大变化，从而形成热冲击;烟气内的腐蚀性物质（例如硫、碱、氯等）加速受损;热负荷较高，管壁超温使得材料疲劳强度大幅降低。

5.3 防治措施

提升吹灰器介质温度，减少热冲击作用;升降负荷时降低压力与温度降低的变化程度;严格控制管壁超温，以免因此而使得管道热疲劳限度显著下降。

6 氢脆

6.1 特点

氫脆爆管是因为氢原子进入金属之后，在晶界慢慢集中，再和受热面管内的碳物质发生反应形成CH4，进而导致钢发生脱碳，并且在金属内部形成应力，出现沿晶开裂爆管。通常氢脆大多出现在水冷壁近火端热负荷偏高的部位。

6.2 预防措施

（1）选取耐氢脆钢作为锅炉受热面材料，防止氢气持续扩散开来;

（2）强化对锅炉内水质的检查和控制，把控好氢气的析出量;

（3）按期对受热面实行除垢;

（4）严格防范受热面超温运作。

7 缺水现象

7.1 原因

缺水是火电厂锅炉在实际运作期间较常发生的一种事故，而且此项事故会在发生时引起严重危害。锅炉在使用过程中，若是受热面存在一定的缺陷问题，便会使得局部不能充分进行冷却，这时，便会使得管子壁温度急速攀升，从而使其抗拉强度大幅下降。管子中气压引起的压力高于材料在实际运用中的各类屈服极限，这会使得管子在运用时发生鼓包、变形、爆裂等各种问题，甚至有可能使得锅炉出现爆炸。在火电厂锅炉运作时，由于时间不长，所以，不能及时构成一层高厚度的氧化膜，而爆破部位的管道内侧也较为干净，通常而言，会因为受到坡口的冲击气流的反向作用力影响，使得管道在运作过程中发生弯曲。当缺水现象较为严重之时，会导致受热面管发生失效的问题，主要表现为大部分管道会在同一时间受损，或是大部分胀口均存在漏水问题，此种损伤在受热面管的温度最高部位情况最严重。另外，火电厂锅炉内使用水位计来实行对水位的调整控制的装置不能正常运作的情况下，或是在设计与安装过程中存在不合理问题，或是工作人员操作不规范，均有可能引起锅炉使用时的严重缺水，从而给锅炉运作的安全性与稳定性带来严重影响。

7.2 预防措施

若想让锅炉在运作期间受热面可以获得多重防护，应当积极创新，对于各种新型结构尝试使用。比如，可运用双重保护机制，在正常运作水量较少的状况下，另一保护机制也可以及时加以供水，防止因为缺水而引起受热面失效。火电厂锅炉能够设置自我保护机制，当锅炉内缺水且排烟温度比较高的情况下，可以自动地把燃料供应断开。另外，也可以从锅炉运作状况着手，强化一系列管理措施，提升管理人员的专业水平，让护炉人员具有更强的责任心，防止因为人为因素而使得缺水问题出现，导致各种安全事故的发生。需要专门安排工作人员定期对锅炉内的水位表加以冲洗清理，而且应当对锅炉内安装的水位报警设备、自动供水装置、低水位自动报警设备加以检查，保证每一系统在运作期间功能正常以及足够灵敏，有效防范因锅炉缺水而引起的各种安全事故。

结语

为了避免锅炉受热面失效而给火电厂生产作业造成的负面影响，需要对各方面原因展开深度调查，再从设计、制造、安装等多个流程着手，提高防范控制力度，而且需要针对锅炉的日常运行实行全面的管理，加强维护与保养工作，提升质量检测工作的全面性与有效性，尽可能减少由于受热面失效而给火电厂带来的利润损失。

参考文献：

[1]刘永杰.锅炉受热面管失效原因及防治措施[J].科学技术创新，2020（18）：161162.

[2]胡杰.锅炉受热面爆管原因分析及防范措施[J].通讯世界，2019，26（03）：285286.

[3]陈浩，张涛，田峰，田力男.火电厂锅炉受热面失效形式分析及预防措施[J].内蒙古电力技术，2018，36（01）：7175.

[4]戴晨，纪冬梅，郭恒超，孙权.锅炉炉管氧化皮的生成及剥落研究综述[J].上海电力学院学报，2018，34（01）：2432+65.

[5]冯珑.火电厂锅炉金属氧化皮剥落问题研究及防范措施[J].世界有色金属，2016（13）：6768.

作者简介：徐泽洋（1991— ），男，汉族，四川宜宾人，本科，助理工程师，研究方向：锅炉受热面结焦管壁腐蚀。