电站锅炉“四管”泄漏的预防研究

电站锅炉“四管”泄漏的预防研究

杨朝辉

（郑州新力电力有限公司450013）

摘要：火力发电在我国现在的电量比重中依然占有重要的位置，依然是我国电力供应的主力，而在电站设备中最容易发生故障造成停运的就是锅炉，而最影响锅炉安全稳定运行的问题就是“四管①”泄漏。因此，防止锅炉“四管”泄漏是保证机组安全、稳定运行的重要基础工作。所以提升火力发电机组的“四管”泄漏预防工作，大幅度降低或减少锅炉受热面的“四管”泄漏而造成的机组非计划停运率，将会为发电企业的发展起到积极的促进作用！本文从过热、磨损、安装质量、管材缺陷、应力、吹灰器等因素方面分析了电站锅炉“四管”泄漏的主要原因，并以国电荥阳电厂的锅炉为例有针对性地分析了其锅炉泄漏的具体原因，并制订了相应的预防措施，取得了一定的效果。

关键词：四管；泄漏；过热；磨损；应力；措施

一、设备状况

国电荥阳煤电一体化有限公司2×650MW超临界机组，锅炉采用了北京巴布科克威尔克斯有限公司B&WB-1950/25.4-M型锅炉，其主要技术特征为超临界参数、垂直炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、露天布置的“W”火焰型锅炉。自2010年建成投产以来，共计发生锅炉泄漏15次，是影响机组非计划停运的重要原因。

二、锅炉“四管”泄漏的原因分析

2.1过热

管子在高温运行时所受的应力主要是由过热蒸汽内压力所造成的对管子的切向应力。在这种应力作用下，将使管径胀粗，一般设计压力和额定温度下，管子发生正常蠕变。当管子过热时，管子会以加快了的蠕变速度发生管径胀粗，慢慢的产生晶间裂纹，晶间裂纹的继续积累并扩大成为宏观纵向裂纹，导致管材使用寿命下降并最终发生爆管。

2.2飞灰磨损

烟气在流动过程中，其携带的飞灰会对受热面管子进行冲刷磨损，烟气的流速越高、含尘量越大、管材等级越低，这种磨损就表现的越明显。另外，飞灰磨损在尾部烟道两侧的受热面处更容易发生。

2.3安装质量

设计锅炉都能从各方面考虑承压部件的泄漏问题，但在安装过程中受具体现场位置和条件的限制，会给安装工作带来种种困难，会存在许多不能及时发现和消除的缺陷，影响到承压部件的寿命，特别是新安装的锅炉因安装质量原因引起的泄漏也比较普遍。安装过程中诸多的管道并不是每一道焊口都有足够的位置来按照工艺施工，对于管排位置不好的焊接部位，金属监督不能全面涉及到，会存在一些焊接质量问题不能被及时发现。管排的安装质量，管排排列不均匀，存在较大的烟气走廊，两侧墙和前后墙部位烟气走廊处理不好，流通通道较大，管道磨损严重。另外在安装过程中，因为人为或机械原因使管材表面受伤、强度降低或应力集中情况。

2.4管材缺陷

管材缺陷指管子本身的制造缺陷或材质不符合要求，如管子本身有裂纹、气孔、夹杂、深坑等缺陷。这类问题一般不容易被发现，并且潜伏的时间很长。

2.5吹灰器损伤

为了避免受热面积灰影响换热效果，现在的锅炉一般都安装有吹灰器，且大部分是蒸汽吹灰器，即利用蒸汽对受热面上的积灰进行吹扫、清理，在锅炉运行过程中，一般每天都要投运吹灰器一到两次，吹灰后，确实能提高锅炉受热面换热效果，降低锅炉排烟，提高锅炉效率，达到节省原煤的效果，但蒸汽吹灰器的汽源一般取自屏式过热器，温度和压力参数都较高，经过减压后进入吹灰器工作。吹灰器在工作时，高温、高压蒸汽通过吹灰器头部的小孔喷射到受热面管子上，会造成管子的冲刷磨损。因此，在设计安装时，在吹灰器区域的受热面管子上都安装有防磨瓦，以避免吹伤管子，但即便如此，在防磨瓦接缝处，还存在管子被吹伤的情况。特别是在吹灰器卡涩，没有退出炉膛或烟道，又没有被及时发现，吹灰器喷出的蒸汽长时间对着某一处管子进行吹扫，就很容易造成受热面管子管壁急剧减薄并发生泄漏。

2.6应力拉伤

应力拉伤一般发生在水冷壁区域、后包墙区域等带有鳍片管子的区域。锅炉在运行过程中，因为受热而发生热膨胀，因为受热不均匀而发生膨胀不均匀，进而产生应力。应力的产生一般发生在受热面的墙区，而高过、高再、低过、低再、省煤器区域因为可以自由膨胀、不受约束而一般不会产生应力，即便有也非常小，不会损伤管子。但在水冷壁、包墙过热器、顶棚过热器这些带有鳍片密封的区域，因为相邻管子之间用鳍片焊接，但相邻管子之间受热不均匀，就导致膨胀量不一样，进而产生应力，特别是在不同区域的交界处，往往是热应力的集中处。当产生的应力达到足以撕裂管子鳍片时，鳍片被撕裂，鳍片被撕裂产生的裂纹一般为纵向裂纹，当纵向裂纹发展受阻或其它因素时，裂纹会向横向偏转，进而撕伤管子，造成泄漏。

三、国电荥阳电厂锅炉“四管”泄漏具体原因分析和应对措施

在国电荥阳电厂锅炉发生的15次泄漏中，其中因过热造成的1次，因安装质量造成的2次，因管材缺陷造成的1次，因吹灰器损伤造成的1次，因应力拉伤造成的10次，其中应力拉伤是造成锅炉泄漏的主要原因，所占比例达到66%。

3.1过热引起的泄漏原因分析及应对措施

荥阳电厂自投运以来仅锅炉发生过一次因过热引起的泄漏，位置在#2锅炉顶部大包内的高温过热器管子，管子材质为SA—213T91。原因分析为：从外观看，原始爆口胀粗较为明显，管壁减薄很多，爆破口呈尖锐的喇叭形，初步判断为短期超温过热爆管，管子割除后用内窥镜检查发现U形弯处有氧化皮堆积，造成工质截流，过热器管子得不到有效冷却，造成短期过热爆管，是此次爆管的直接原因。

采取的防范措施：

①严格执行运行规程，控制机组的起、停和升降负荷速率，严禁超温运行，切实加强运行期间对壁温测点及温度定值的监督分析。

②建立长效的奥氏体不锈钢炉管监视检查机制，包括利用机组检修期间定期进行氧化皮测量、日常壁温监视、进行射线检查等，并根据情况割管或使用仪器测量内壁氧化层的厚度，对内壁氧化皮剥落倾向进行分析，及时掌握氧化皮生成、脱落速率，判定管材组织性能、金属损伤等。

3.2安装质量引起的泄漏原因分析及应对措施

因安装质量造成的锅炉“四管”泄漏，荥阳电厂发生过两次，比较有代表性的一次为#1炉高再区域泄漏。原因分析为：通过现场情况分析，此次爆管泄漏的初始泄漏口位于高温再热器出口段左数第55屏炉后数第1根管子上部穿顶棚过热器处，该管子在靠近顶棚管鳍片部位存在明显的补焊痕迹，且安装时顶棚管鳍片恰处在该高再管子穿顶棚的位置，该段高温再热器管子为T91材质，在此处补焊较大面积（约5cm2）。T91材质焊接后必须进行热处理，根据现场位置判断不可能做了热处理，补焊本身就产生了较大的焊接应力及组织脆性，长时间运行，逐渐产生裂纹源，并扩展形成贯穿裂纹,发生泄漏，然后快速吹损附近的管子。

预防措施为：

①严控施工工艺，高合金管材在处理因机械伤或磨损导致管壁减薄时，应更换此段管子，若条件不允许，需要进行焊补处理的，必须进行焊前及焊后热处理工艺，并做好记录，择机进行更换。

②对炉内可以检查到的位置进行全面检查，发现SA213T91及SA213TP347H材质管子有焊补痕迹的，应及时进行更换。

3.3吹灰器损伤引起的泄漏原因分析及应对措施

因吹灰器吹损造成的锅炉“四管”泄漏，荥阳电厂发生过一次，为#1炉低过区域的泄漏。原因分析为：因吹灰器其长期在炉内高温环境下运行，其受热部位材质蠕变碳化，且枪头部位因冷却效果最差而碳化最严重，外枪杆的承压能力急剧下降，枪头部位发生了裂开，且裂开位置位于枪头正上方，所以吹灰时汽、水、灰混合物对枪头正上方靠前部位低过管排造成严重吹损，管壁减薄，最终导致低过管排泄漏。

预防措施为：

①建立吹灰器运行跟踪制度，即在吹灰器运行时，必须委派专门的监督人员在就地跟踪吹灰器的运行，发现异常及时停止吹灰，以保证受热面不被吹损。

②将吹灰汽源进行分路改造，将炉本体吹灰与空预器吹灰气源进行分路控制并列运行，保证炉本体与空预器吹灰时各管道承受部件相对独立。也就是空预器吹灰时，锅炉本体吹灰器汽源母管内没有蒸汽，以防止吹灰器提升阀内漏造成吹灰器枪管内进汽而进入炉内吹伤受热面管子。

3.4管材缺陷引起的泄漏原因分析及应对措施

因管材缺陷导致的锅炉“四管”泄漏，荥阳电厂发生过两次，比较有代表性的一次为#2炉前包墙出口联箱吊杆处泄漏。原因分析为：前包墙第35组直管段漏点为第一泄漏点，外观表现为一砂眼，该处并没有焊口，因此该缺陷为出厂时母材本身缺陷。

预防措施为：

此类问题极其难于发现，所以只能加强技术监督管理，加大检查力度，机组大修时，对类似区域位置管子进行全面检查，发现问题及时更换管子，避免类似情况再次发生。

3.5应力拉伤引起的泄漏原因分析及应对措施

应力拉伤是荥阳电厂造成锅炉“四管”泄漏次数最多的因素，这与荥阳电厂“W”型火焰锅炉本身的结构也有密切关系。锅炉炉膛宽度31.813米，下部炉膛深度16.55米，上部炉膛深度9.35米，即整台锅炉横截面呈长方形，且下部长宽比约为2:1，上部上宽比约为3.5:1，狭长的炉膛结构造成其受热不均匀，应力偏差大，易造成水冷壁的撕裂，且两侧烟温偏差大，易造成尾部包墙受热不均匀，导致包墙管撕裂。

比较有代表性的一次水冷壁泄漏是#1炉41.6米层上、下组水冷壁交汇处，原因分析为：鳍片撕裂后产生的纵向裂纹向横向发展，损伤了水冷壁管，造成管子撕裂泄漏；鳍片撕裂的原因是鳍片两侧热量不均匀产生应力，当应力大于鳍片强度时将鳍片撕裂。

应对措施为：

①加强机组的运行调整、燃烧调整，注意一次风粉均匀性，检查两侧送、引风机出力是否合适，各层二次风挡板和三次风挡板开度是否一致，通过各氧量表和尾部烟道的烟温显示以及受热面的金属温度分布分析炉膛的热工况是否均匀。

②通过对10起应力拉伤引起的锅炉泄漏问题分析，我们发现容易发生应力拉伤管子的区域分布在水冷壁前后墙的41.7米及以上中间区域，水冷壁与侧包墙的交界处，前后包墙的下联箱中间区域。

水冷壁区域因为左右侧受热不均匀，温度不均匀，产生的膨胀不均匀，因为锅炉受热面一般都是悬吊安装，即向下可以自由膨胀，但因左右侧有时温差过大，造成膨胀量不一样，所有相邻管子之间就会产生纵向撕力。当左右侧温差过大，造成纵向应力过大时，就容易造成鳍片或管子的撕裂，进而引发泄漏。为了解决这一问题，我们采取了在应力较为集中的前后墙水冷壁中间区域预留膨胀缝，并在外部加装膨胀盒密封的方法，以减弱应力对管子的损伤。

在水冷壁与侧包墙的交界处，因为两侧的工质温度不一样，造成膨胀量不一样，产生纵向应力，在最下部鳍片与管子的焊接端部表现出来，鳍片将管子撕裂，造成泄漏。对于这种情况，我们无法改变工质的温度偏差，只有在交界处的鳍片上预留膨胀缝，并在膨胀缝最上端采用圆弧过渡，以减小应力对管子的破坏。

在前后包墙的下联箱中间区域，也是因为相邻两个联箱的温度偏差，造成热应力在最末端表现出来，往往是相邻两个联箱中间的管子鳍片被撕裂，进而撕裂管子造成泄漏。对于这种情况，我们也采取了只有在交界处的鳍片上预留膨胀缝，并在膨胀缝最上端采用圆弧过渡，以减小应力对管子的破坏。

四、结论

通过分析电站锅炉“四管”泄漏的主要原因，并以国电荥阳电厂的锅炉为例有针对性地分析了其锅炉泄漏的具体原因，得出了一些锅炉“四管”泄漏的具体因素，并以此制订了相应的预防措施，取得了一定的效果，从锅炉“四管”泄漏的次数来看，呈现出逐年下降的趋势，一定程度上达到了预期的目的。但锅炉“四管”泄漏是一个持续存在的复杂问题，彻底杜绝也是难以实现，只有根据具体情况具体分析，找出根本原因进行治理和预防。电站锅炉“四管”泄漏与锅炉的诞生而存在，近些年随着技术的发展，一些泄漏问题得到了解决，但泄漏仍是锅炉被迫停运的主要因素，因此在防止锅炉“四管”泄漏的课题上我们仍然任重而道远，需要不断地进行研究和技术创新。

参考文献

[1]《锅炉设备及其系统》杨宏民编，中国电力出版社.

[2]《国电荥阳煤电一体化有限公司运行规程》，内部资料.

[3]《电厂锅炉》金维强编，中国电力出版社.

[4]《电厂金属材料》宋琳生编，中国电力出版社.

[5]《DL/T438—2016火力发电厂金属技术监督规程》，中国电力出版社.

注释

①四管指锅炉的省煤器管、水冷壁管、过热器管和再热器管。