电站锅炉水冷壁管的泄漏原因及应对措施研究

电站锅炉水冷壁管的泄漏原因及应对措施研究

陈斌

新疆圣雄能源股份有限公司热电厂

摘要：从电站的运行经验来看，造成电站非计划停机的主要原因是四管泄漏，超过事故总数的一半以上。四管泄漏严重威胁机组安全，造成资源的浪费，历来被电厂所重视。作为锅炉的关键部件，水冷壁管一旦发生失效，将会严重威胁锅炉运行安全，国内外已经开展了较为深入的研究，水冷壁管的泄漏形式主要有烟气侧腐蚀和水汽侧腐蚀2种，腐蚀发生后会随着时间的增长而扩大，假如放任腐蚀继续发展，就会造成水冷壁管失效。

关键词：电站锅炉；水冷壁管；泄漏原因；应对措施

1装置概况

某公司甲醇项目动力站采用3台型号为YG-170/9.8-M2的高温高压循环流化床蒸汽锅炉，锅炉采用单锅筒横置式，单炉膛自然循环，全悬吊结构，全“∩”布置。炉膛由膜式水冷壁组成，保证了炉膛的严密性。炉膛横截面为4511mm×9082mm，炉顶水冷标高36152.5mm（水冷中心线标高），膜式水冷壁由Φ60mm×5mm（材质20G,GB5310—1995）锅炉管和6mm×20.5mm扁钢焊制而成，管节距为80.5mm；前后墙水冷壁112根，左右侧墙水冷壁56根，在炉膛的左右中心线处靠近前部水冷壁设置水冷屏，炉膛水冷壁（屏）通过水冷上集箱（包括水冷屏上集箱）由吊杆悬挂于钢架顶部的框架上。3台锅炉主要向空分厂、甲醇厂和乙二醇厂等分厂提供动力或工艺蒸汽，于2008年投产，至今已运行105000h。

2试验

经检查，水冷壁管的泄漏位置为右侧第八根，泄漏处呈现明显的横向裂纹，并在漏点上方因高温产生爆管，尺寸为φ51mm×5.6mm，该水冷壁由20碳素结构钢制成，已累计运行9.7万h。水冷壁管泄漏处存在轻微结焦，裂纹长度10mm，但无明显变形，这些裂纹均处于向火侧。采用超声清洗的方法清除管壁污垢后发现大量枝状裂纹，这些裂纹主要位于螺纹边缘，且处于向火侧，背火侧只存在一些点蚀而无裂纹，但这些点石依然位于螺纹边缘。采用进口光谱仪分析水冷壁管的化学成分，结果显示，该水冷壁管完全符合国家相关技术文件的要求。再利用金相显微镜分析其组织结构，该水冷壁管的显微组织为铁素体+珠光体，均符合国家相关要求，对于运行了9.6万小时的水冷壁管而言，珠光体球化等级符合水冷壁管运行经验，且向火侧与背火侧的组织结构相同。

3泄漏点特征及初步分析

为查找泄漏点产生的原因，厘清各个泄漏点之间的相对关系，确定原始泄漏点，对工装孔密封板和第49、52根管的4处泄漏点进行缺陷检查和特征判断。工装孔被尺寸为180mm×500mm×6mm的密封板（材质20，与鳍片材质相同）封堵，密封板焊接在水冷壁管上。密封板被泄漏的蒸汽裹挟烟气击穿2处（图1中A点和B点），从密封板磨损击穿痕迹上可以判断出气源和方向：1#泄漏点将密封板A点磨损击穿，2#泄漏点将密封板B点磨损击穿。1#泄漏点位于密封板与水冷壁管迎火侧焊接热影响区根部，沿水冷壁管纵向发展，长度约3mm，圆周向宽度约1mm。焊缝泄漏处边缘显示蒸汽由里向外泄漏产生的冲蚀坑痕迹明显，泄漏汽水混合物沿着喷射方向将密封板A点磨损击穿。剖开检查1#泄漏点内壁，密封板焊接处长度方向腐蚀结垢较为严重，特别是密封板焊接处中部；密封板焊接处迎火侧热影响区根部腐蚀结垢物和裂纹较为明显，裂纹长度约50mm；腐蚀结垢物沿焊缝纵向分布，且在裂纹附近腐蚀结垢物分布面积宽大，约70mm×30mm。综合判定1#泄漏点产生的原因是密封板焊接处迎火侧热影响区根部壁厚变化较大，热交变应力变化大且频繁，密封板宽大吸热量大，与水冷壁汽水混合物换热不及时，造成热量堆积而局部过热，易产生微裂纹；水冷壁管内部水质差，高温区管道内壁易结垢，造成换热进一步恶化。长期运行，微裂纹扩张形成泄漏点。暂时判定1#泄漏点为原始泄漏点。3#泄漏点位于密封板与水冷壁管迎火侧焊接热影响区根部上方约6mm处，呈纺锤形，长×宽为25mm×6mm，泄漏点外部磨损减薄明显，边沿锋利外翻，最薄处1.6mm，壁厚沿泄漏点向四周越来越厚。剖开检查3#泄漏点内壁，密封板焊接处长度方向腐蚀结垢较为严重，特别是密封板焊接处中部；该泄漏点周围4mm范围内无腐蚀结垢物，且露出金属光泽，未发现肉眼可见裂纹，说明泄漏后内壁变形以及高压汽水混合物冲出3#泄漏点时将内壁腐蚀结垢物冲掉。综合判定，3#泄漏点产生的原因是外来物料流冲刷水冷壁外壁减薄产生。2#泄漏点因外壁被外来物料流冲刷减薄，并且与4#窗口型泄漏点混在一起，不易发现，但是在内壁可以看见泄漏点长约20mm、宽约3mm，呈锯割状；且与1#泄漏点泄漏气流路线、方向一致，内壁未见腐蚀结垢物，沿管壁纵向可见大量微裂纹。综合判定，2#泄漏点产生的原因是外来物料流冲刷水冷壁外壁，磨损形成的锯割状沟槽减薄。4#泄漏点呈窗口形，长×宽为50mm×150mm；开口位于密封板与水冷壁管迎火侧焊接热影响区根部，且外壁磨损减薄明显，最薄处1.8mm，整个泄漏点边沿略显粗糙，壁厚沿迎火侧焊接热影响区根部向另一侧越来越厚；其内壁未见大块腐蚀结垢物，沿管壁四周纵向可见大量微裂纹。综合判定，4#泄漏点产生的原因是外来物料流冲刷水冷壁外壁减薄产生。

4处理措施

腐蚀和疲劳裂纹都是缓慢发生的，需要长时间的积累才能导致水冷壁管泄漏，机组日常运行时，就要定期开展安全评估，将运行环境恶劣的部位作为重点评估对象，一旦发现损伤程度达到更换标准，要立即进行更换。腐蚀和疲劳裂纹造成的泄漏可以从引起泄漏的原因出发，采取有效的措施阻止或延缓泄漏的发生。定期对锅炉进行除垢作业，在锅炉水中加入添加剂，在水冷壁管内壁形成保护膜，阻止水垢的形成，预防腐蚀的发生。监测锅炉水的水质，定期测定锅炉水的成分，控制水中的氧含量，保证锅炉排污装置正常运行，监测锅炉水中的金属离子含量，加入中合剂消除过多的金属离子，降低水冷壁管内的污垢附着。严格按照锅炉运行制度控制锅炉的起停速率，使锅炉负荷变化平稳，尽量避免频繁启停，降低因频繁启停引起的热应力损害。

5结论

锅炉在设计阶段，应尽量减少开孔设计，必须时，应考虑密封板换热是否能够满足工况要求，并且尽量降低密封板宽度。在生产阶段，根据实际情况封堵不必要的开孔，或者减小开孔密封板宽度，也可采用焊接渣钉、高强度耐高温防磨耐火材料覆盖（循环流化床锅炉不适用，易掉落，堵塞落渣口）等方式；加强运行中水质监测，严格控制疏水、蒸汽冷凝回水的水质，不合格时不得回收进入锅炉，特别是化工企业自备电厂，使用蒸汽的化工装置分布在各个分厂，冷凝回水水质差距较大，质量控制更应引起水处理监测人员和锅炉运行人员的注意。同时，要严格执行《火力发电厂金属技术监督规程》有关锅炉定期检查检测规定，发生受热面管结垢严重时，一定要执行TSG11—2020《锅炉安全技术规程》中有关化学清洗的规定。

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