盘山电厂超临界直流锅炉水冷壁爆管的特点与防治.docx
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盘山电厂超临界直流锅炉水冷壁爆管的特点与防治
盘山电厂超临界直流锅炉水冷壁爆管的特点与防治
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超临界直流锅炉水冷壁爆管的
特点与防治
于程炜
（国华盘山发电有限责任公司生产技术部）
摘要：
本文通过对国华盘山发电有限责任公司两台超临界直流锅炉水冷壁爆管的各种情况的介绍，结合超临界直流锅炉的特性，总结了超临界直流锅炉水冷壁爆管的特点，对超临界直流锅炉水冷壁爆管进行了分析，有助于专业人员进行研究和借鉴。
关键词：
超临界直流锅炉；水冷壁爆管；特点；防治
1 超临界锅炉的特点
所谓超临界锅炉，就是指运行参数超过临界点的锅炉，也就是主蒸汽压力高于临界压力（22.13MPa）的锅炉。
它具有如下特点：
1.1热效率高、热耗低。
超临界机组比亚临界机组可降低热耗～2.5％，故可节约燃料，降低能源消耗和大气污染物的排放量。
1.2超临界压力时水和蒸汽比容相同，状态相似，单相的流动特性稳定，没有汽水分层和在中间集箱处分配不均的困难，并不需要象亚临界压力锅炉那样用复杂的分配系统来保证良好的汽水混合，回路比较简单。
1.3超临界锅炉水冷壁管道内单相流体阻力比亚临界汽包炉双相流体阻力低。
1.4超临界压力下工质的导热系数和比热较亚临界压力的高。
1.5超临界压力工质的比容和流量较亚临界的小，故锅炉水冷壁管内径较细，汽机的叶片可以缩短，汽缸可以变小，降低了重量与成本。
1.6超临界压力直流锅炉没有大直径厚壁的汽包和下降管，制造、安装、运输方便。
同时取消汽包而采用汽水分离器，汽水分离器远比亚临界锅炉的汽包小，内部装置也很简单，制造工艺也相对容易，相应地降低了成本。
1.7启动、停炉快。
超临界压力直流锅炉不存在汽包上下壁温差等安全问题，而且其金属重量和储水量小，因而锅炉的储热能力差，所以其增减负荷允许的速度快，启动、停炉时间可大大缩短。
一般在较高负荷（80～100％）时，其负荷变动率可达10％/min。
1.8超临界压力锅炉适宜于变压运行。
1.9超临界压力锅炉的蓄热特性不及汽包炉，外界负荷变动时，汽温、汽压变化快而必须有相当灵敏可靠的自动调节系统，锅炉机组的自控水平要求也较高一些。
超临界锅炉优点很多，中国近几年在大力发展超临界锅炉。
但是超临界锅炉也存在着一些不足：
1）超临界压力锅炉由于参数高，锅炉停炉事故的概率比亚临界多，降低了设备的可用率和可靠性。
另外，超临界压力锅炉出现管线破裂和起动阀泄漏故障时影响较大。
2）超临界压力锅炉虽然热效率高，但锅炉给水泵、循环泵却要消耗较多的电耗，压力参数的提高又会增加系统的漏泄量，实际上对热效率的提高和热耗的减少都会有一定的影响。
3）超临界压力锅炉为了保证水冷壁和过热器的冷却，启动时要建立一定的启动压力和流量，为此要配置一整套专用的启动旁路系统，因而启、停的操作较复杂，热损失也大。
4）超临界直流锅炉水冷壁的安全性较差。
直流锅炉的水冷壁出口处，工质一般已微过热，故管内会发生膜态沸腾，自然循环有自补偿特性，而直流炉没有这种特性，因此，直流炉水冷壁管壁的冷却条件较差，较易出现过热现象。
2 盘电公司锅炉情况简介
盘电公司安装两台由俄罗斯成套引进的500MW超临界燃煤锅炉，由国内外联合设计。
。
锅炉为俄罗斯制造的超临界压力、直流、一次中间再热、平衡通风的固态排渣煤粉炉。
表1锅炉主要设计参数
参数名称
单位
100%额定负荷
70%额定负荷
锅炉最大连续蒸发量
t/h
1650
1150
一次蒸汽出口压力
MPa
25
24.2
一次蒸汽出口温度
℃
545
545
给水温度
℃
275
253
二次蒸汽流量
t/h
1380
971
二次蒸汽出口压力
MPa
4
2.9
二次蒸汽出口温度
℃
545
545
二次蒸汽进口温度
℃
295
269
锅炉热效率
%
91.96
92.16
锅炉燃料耗量
t/h
208
153
排烟温度
℃
134
126
热风温度
℃
320
300
锅炉设计为室内布置，单炉膛全悬吊结构，左右两侧各有一对流竖井，炉本体呈“T”型结构。
炉膛断面呈矩形23080×13864mm，四壁由φ32×6—12Cr1MnV的膜式水冷壁构成。
锅炉一、二次汽水流程以炉膛前、后墙中心线为界分为左、右两个对称的独立流程，每个流程的给水和汽温调节都是独立的。
炉膛受热面为垂直往复一次上升布置，标高44.7m以上为上辐射区，44.7m以下为下辐射区。
下辐射区前后墙分别有6个组件，两侧墙各有10个组件。
前后墙相邻的3个组件与侧墙的半个组件组成下辐射—Ⅰ，侧墙每4个组件加上相邻半个组件构成下辐射—Ⅱ。
上辐射区前后墙组成上辐射—Ⅰ，两侧墙组成上辐射—Ⅱ。
每个组件由48根水冷壁组成。
在锅炉两个流程中，给水进入省煤器前各设有一旁路，即21%旁路，此旁路设有截门并在下辐射—Ⅱ入口与主给水汇合，其目的是减小下辐射—Ⅰ和下辐射—Ⅱ的出口工质温差，从而降低下辐射—Ⅰ和下辐射—Ⅱ相邻管之间的应力，但同时也降低了下辐射—Ⅰ的工质质量流量。
3超临界直流锅炉的水冷壁爆管特点
3.1爆管的统计和分类
盘电公司自投产以来，共发生水冷壁爆管38次，以下是爆管统计
序号
锅炉号
日期
缺陷性质
缺陷分类
1.
1
1996.03.07
厂家制造缺陷
制造缺陷
2.
1
1996.03.26
厂家制造缺陷
制造缺陷
3.
1
1996.03.30
厂家制造缺陷
制造缺陷
4.
1
1996.04.13
厂家制造缺陷
制造缺陷
5.
1
1998.01.26
厂家制造缺陷
制造缺陷
6.
1
1998.05.17
厂家制造缺陷
制造缺陷
7.
1
1998.02.04
安装施工焊接缺陷
安装缺陷
8.
1
2000.03.05
厂家制造缺陷
制造缺陷
9.
1
2002.6.22
飞灰磨损造成泄漏
磨损
10.
1
2002.12.1
水冷壁后补鳍片单面焊接
安装缺陷
11.
1
2003.05.28
安装施工焊接缺陷
安装缺陷
12.
1
2004.3.2
光管向鳍片管过渡处裂纹造成爆管。
应力撕裂
13.
1
2004.6.25
材质问题导致此处爆管
制造缺陷
14.
1
2004.8.21
光管向鳍片管过渡处裂纹造成爆管
应力撕裂
15.
1
2005.1.2
光管向鳍片管过渡处裂纹造成爆管。
应力撕裂
16.
1
2005.1.10
前墙加强块处鳍片撕裂，裂纹延伸至水冷壁管造成泄漏。
应力撕裂
17.
1
2005.5.30
管材制造原始缺陷
制造缺陷
18.
1
2005.8.21
焊缝加渣造成应力
安装缺陷
19.
1
2005.9.3
强力对口
安装缺陷
20.
2
1996.06.21
厂家制造缺陷
制造缺陷
21.
2
1997.09.02
厂家焊接缺陷
制造缺陷
22.
2
1997.11.17
厂家制造缺陷
制造缺陷
23.
2
1997.2.4
安装施工焊接缺陷
安装缺陷
24.
2
1998.06.03
安装施工焊接缺陷
安装缺陷
25.
2
1998.10.01
安装施工焊接缺陷
安装缺陷
26.
2
1999.05.09
检修施工焊接缺陷
安装缺陷
27.
2
1999.05.22
厂家制造缺陷
制造缺陷
28.
2
2001.10.17
长期过热超温爆管
过热
29.
2
2002.1.27
异物堵塞，短期过热爆管
过热
30.
2
2002.8.13
屏间裂纹扩展至水冷壁管造成泄漏
应力撕裂
31.
2
2002.12.16
长期过热超温爆管
过热
32.
2
2003.3.26
应力集中造成鳍片裂纹
应力撕裂
33.
2
2003.7.18
应力集中造成鳍片裂纹
应力撕裂
34.
2
2003.3.13
水冷壁后补鳍片单面焊接
安装缺陷
35.
2
2004.1.24
鳍片撕裂裂纹扩展至水冷壁管造成泄漏
应力撕裂
36.
2
2004.4.20
屏间鳍片撕裂造成爆管，同时伴有材质问题造成的爆管。
应力撕裂
37.
2
2004.11.4
光管向鳍片管过渡处裂纹造成爆管。
应力撕裂
38.
2
2005.3.9
材质问题导致此处爆管
制造缺陷
不同爆管原因的饼形分布
从以上的数量统计可以看出，制造缺陷和安装缺陷造成的爆管占总爆管数量的63%，这与大多数亚临界锅炉的爆管统计是相同的，然而由于应力撕裂造成的爆管占爆管数量的26%，却是由于这两台锅炉本身的特点造成的。
这两台锅炉的上辐射区前后墙组成上辐射—Ⅰ，两侧墙组成上辐射—Ⅱ。
这两个辐射区之间有近60℃的温差，其造成的温度应力是相当巨大的。
虽然在锅炉两个流程中，给水进入省煤器前各设有一旁路，即21%旁路，此旁路设有截门并在下辐射—Ⅱ入口与主给水汇合，其目的是减小下辐射—Ⅰ和下辐射—Ⅱ的出口工质温差，从而降低下辐射—Ⅰ和下辐射—Ⅱ相邻管之间的应力。
说明设计者在设计锅炉时考虑到了这一问题，但是两部分间的温差仍然较大，造成温度应力大。
3.2爆管实例分析
3.2.1长期过热爆管
由于超临界直流锅炉的压力参数高，管径一般较小，管壁较粗，因此其结构强度较高，因此与亚临界锅炉相比，其爆口张度明显较小，有可能判断为材质原因引起的爆管，应从破口附近是否有众多的平行于破口的轴向裂纹来加以辅助判断。
2001年10月16日#2锅炉发生爆管，爆口为纵向，在水冷壁管向火侧中部。
向火侧壁厚减薄约1mm，外观上看无明显胀粗现象，无疲劳损伤。
破口并不大，破口断裂面粗糙不平整，破口边缘是钝边，并不锋利，破口附近有众多的平行于破口的轴向裂纹，从爆口的形貌特征看为典型的长期超温爆管。
图1 爆口外观
金相组织分析及机械性能检验，外观检查未发现加工痕迹等原始缺陷；水冷壁向火侧存在减薄现象，内壁约有0.1mm氧化层；水冷壁向火侧珠光体球化4-5级，严重部位为5级，背火侧组织为F+P为轻度球化，泄漏开口处存在大量微观断续蠕变裂纹，这是长期过热所致。
图2距上破口500mm，球化5级
图3 蠕变孔洞500倍
图4蠕变裂纹
3.2.2 短期过热爆管
由于超临界直流锅炉的压力参数高，管径一般较小，管壁较粗，因此其结构强度较高，因此与亚临界锅炉相比，其短期过热爆口张度也明显较小，有可能判断为长期过热爆管，应从破口附近是否有相变组织来加以辅助判断。
以下为该炉的另一次爆管：
图5爆口外观
图6 爆口附近的淬火组织
由于出现了淬火组织，可以判断其运行的温度超过了Acl温度，判断为短期过热爆管。
经检查其过热的原因为由于检修不当，将杂物调入水冷壁管内，堵塞水冷壁管，增大了介质阻力，造成水冷壁短期超温爆管。
3.2.3附焊件拉裂造成的撕裂爆管
2004年1月24日#1锅炉右侧斜坡两处泄漏，2月23日停运处理缺陷，水冷壁泄漏后机组运行约30天。
停炉后检查发现在两根水冷壁管之间有长约1600mm鳍片焊接质量不良，在运行中第水冷壁鳍片根部发生开裂泄漏，并将相邻的水冷壁管呲伤，判断泄漏原因为水冷壁鳍片焊接不良所至。
附焊件拉裂是引起锅炉“四管”爆漏的三大因素之一，也是引起金属设备事故的主要因素之一。
设计结构不合理与安装施工工艺不当以及安装施焊缺陷，是引起附焊件拉裂的主要因素。
所以对不合理的结构进行改造，加强检查，加强对附焊件施焊的质量监督，可有效地防止和减少附焊件拉裂所引起的爆泄事故。
3.2.4锅炉管屏间存在应力造成的鳍片撕裂
2004年3月2日，#1锅炉41.5m右侧前部看火孔部位水冷壁泄漏，4月23日21时停运处理缺陷，水冷壁泄漏期间锅炉运行约54天。
由上图可以看出，在看火孔部位水冷壁光管与鳍片管上部连接过渡部位鳍片撕裂，裂纹延伸至水冷壁管母材造成泄漏，并将与其相邻的水冷壁管呲伤。
对泄漏部位上下距离200mm处取样进行金相检验，金相组织为珠光体球化2-3级，无明显过热现象。
3.2.5水冷壁管制造缺陷造成的爆管
这种损坏主要是由于在制造、安装和检修阶段管理不严，使用了有制造缺陷的管子所造成的。
钢材制造缺陷主要有以下几种，即偏析、夹杂物、发纹、疏松、残余缩孔、过热和过烧、脱碳、折叠、拉痕等。
而最常遇到的材质缺陷则是折叠与拉痕，其次是偏析与脱碳。
无论是脱碳、折叠或拉痕等制造缺陷的存在，均严重削弱了管壁强度，在高温和应力长期作用下，缺陷部位还容易引起应力集中，使产生裂纹，致使承受不了介质与压力的作用而爆破。
有缺陷的管子爆破时，爆破口往往是沿缺陷豁开，裂纹较直，无任何变形。
爆破口边缘一般由两部分组成：
即原有缺陷部分边缘粗糙呈脆性；在工作压力作用下拉开部分则呈韧性断面。
有缺陷的管子爆破时金相组织不发生任何变化。
2005年该厂锅炉又发生爆管，从爆口外观上看：
爆口形貌为向火侧中心长约100mm轴向裂纹，管内壁有长约1000mm轴向未裂透裂纹，爆口外观无蠕胀、减薄、过热现象。
左图为向火侧外壁，金相组织为正常的珠光体，说明金属没有出现过热的情况。
分析认为：
在该段水冷壁管子的轧制过程中由于某些较硬物体的挤压，造成了组织的异常。
在介质应力的作用下沿异常组织的晶粒方向开裂，经过缓慢的扩展，有效壁厚不足以满足强度要求，最终导致管子泄漏。
设备制造的原始缺陷是造成此次管子泄漏的根本原因。
4 超临界锅炉水冷壁爆管的分析和对策：
4.1焊口问题
包括安装与制造焊口，三者中以制造焊口引起的爆漏为最多，主要是设备结构问题。
其次是安装焊口，暴露的是管理方面的问题。
再次是运行应力问题。
检修焊口引起的泄漏与焊工责任性、检修位置困难或检修施焊工艺不当有关，是引起泄漏的主要原因。
加强全过程管理，是保证质量的唯一方法与措施。
4.2磨损问题
因磨损引起的“四管”泄漏，与结构设计有关。
其次，检修质量，如防磨装置的设计与安装的合理性、防磨装置脱落与烧损、吹灰器安装、检修与投用不当等均会引起锅炉受热管子的磨损。
因此锅炉设计结构力求合理，加强设备检查与整治，是降低设备磨损的有效方法。
4.3附焊件拉裂和应力撕裂
附焊件拉裂是引起锅炉“四管”爆漏的三大因素之一，也是引起金属设备事故的主要因素之一。
设计结构不合理与安装施工工艺不当以及安装施焊缺陷，是引起附焊件拉裂的主要因素。
所以对不合理的结构进行改造，加强检查，加强对附焊件施焊的质量监督，可有效地防止和减少附焊件拉裂所引起的爆泄事故。
4.4关于过热引起的爆泄问题
由于过热因素引起的爆泄占所有引起爆泄原因的第四位。
主要发生在过热器、再热器、水冷壁管件上，亚临界锅炉以过热器为最多，而超临界锅炉以水冷壁为多。
主要原因有设备结构问题，运行问题，以及工艺方面的问题等。
设计结构与运行工况变化所引起管子过热，其影响是比较严重的。
而由于施工工艺带进的缺陷如错用钢材、堵管等所引起的过热爆管则都是由于安装阶段管理不严所造成的，因而也是能够较容易控制的。
因此要防止和减少过热爆管就必须做好以下工作：
1）改进不合理的设计结构，对不合理的结构进行改造。
2）加强运行管理，防止设备超温，查清超温原因，采取措施予以消除。
3）加强防爆检查，做好预防性检测，做好监视段割管各项试验。
4）将金属技术监督工作渗透到制造与安装阶段，加强对制造、安装阶段的质量跟踪监督工作，防止错用钢材与堵管情况发生。
5结束语
造成超临界直流锅炉水冷壁爆漏的原因很多，也很复杂，但从统计情况来看主要是上述五种原因。
金属部件的损坏，往往涉及到设计、选型、制造、安装、运行、检修、改造各个环节，同时也涉及到金属、锅炉、汽机、化学、热控、焊接、材料供应等各个主专业与相关专业的工作。
因此要把金属技术监督工作做好，减少金属设备事故，就要做好各个环节各个阶段的监督工作，特别要得到各级领导重视，这是搞好金属监督工作，保证金属设备安全运行更为重要的一个方面。
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