电站锅炉爆管事故的原因分析与预防措施

电站锅炉爆管事故原因分析及预防措施

马天榜　张晓明　郑朋刚

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

近年来，随着我所电站锅炉检验业务的拓展，电站锅炉的定期检验逐年增多。作者先后组织实施了十几台电站锅炉的定期检验。额定出力最大为1 025t/h，服役时间最长为40多年。结构形式多种多样：有强制循环的直流炉或自循环的汽包炉、固态排渣或液态排渣等。但凡检验，总能发现各种形式的爆管事故存在。有的电厂在一段时间内，爆管事故频发，导致无法正常生产，极大地影响了企业的经济效益，也给社会带来诸多不便。因此，本文对爆管产生的原因进行分析，并提出相应的预防措施。

2　磨损爆管

2.1　磨损爆管原因分析

（1）结构设计不合理。某单位使用的一台670t/h自然循环锅炉，近年来，因爆管事故不断，几乎每两年就要对高温再热器进行一次大面积换管。经现场宏观检查发现，该再热器垂直布置在水平烟道出口处，大部分受热面管直接受高温烟气冲刷。经壁厚检测，最薄的只有1.1mm，且有鼓包现象存在。水平烟道出口处形似一个大喷嘴，且喷嘴口处烟气流速最大。将高温再热器布置在此处，高温烟气以高速直接冲刷受热面管壁。导致管壁磨损量增大。另外，为了保证再热器出力，在有限的空间内布置足量的换热面积，致使管间距减小，无形中也使烟气流速提高。从而加剧了管壁磨损减薄。

（2）由于煤源紧缺，煤的质量下降，灰分含量增大，导致烟气中飞灰量剧增。在烟气流速一定的前提下，冲击管壁的次数决定于烟气中灰粒的多少。而煤中灰粉含量增大，导致烟气中的灰粒浓度增加。由前人总结的理论可知：管子金属被灰粒磨去的量正比于冲击管壁的灰粒的动能及冲击次数，灰粒的动能越大，冲击次数越多，则磨损越严重。灰粒的动能和冲击次数都决定于烟气流速，灰粒的动能与烟气流速的二次方成正比，而冲击次数在烟气浓度一定时与烟气流速的一次方成正比，因而管子的磨损量就与烟气流速的三次方成正比^［1］，从而造成这种局部的不均匀磨损更加严重，使管壁减薄，强度降低而导致爆管发生。

（3）间距不够，导致震动碰撞磨损。某厂一台1 025t/h锅炉，安装尾部受热面时忽视下部受热面吊拉管与上部再热器受热面管壁之间应保持一定距离的要求，致使吊拉管与受热面管子紧贴，锅炉运行时导致吊拉管与再热器管之间发生振动摩擦。久之，使管壁磨损减薄，强度下降而引起爆管。

（4）吹灰不当，导致爆管事故频发。某电厂2台410t/h锅炉在运行22 640h后连续发生水冷壁、过热器爆管事故。经检验发现所有爆管部位均位于吹灰器口附近某一特定方向，且沿该方向管壁有明显的冲刷痕迹，并呈放射状。测量其壁厚明显减薄。经查阅锅炉运行记录，结合现场检验情况分析，该爆管事故与吹灰工艺有直接关系。该吹灰系统采用饱和蒸汽，但吹灰系统的自动疏水效果不佳，每次吹灰起始阶段吹灰蒸汽中夹带大量的凝结水，在高压、高速条件下，对附近管子外壁造成严重冲刷磨损，日积月累，最终形成典型的壁厚减薄失效，导致爆管。

2.2　磨损爆管预防措施

（1）合理布置受热面特别是对流受热面。烟气流通面积足够，使烟气流速合理，且无烟气走廊。在燃料的固有灰粉难以去除的情况下，采用高灰分煤时应选择适当的燃烧方式，如液态排渣炉或旋风炉。

（2）严把进煤质量关，确保燃煤中灰分含量在规定范围之内。这样才能在运行中有效调节，防止灰分量过大而引起磨损。

（3）采用必要的防磨装置，在易发生磨损的部位焊上圆钢条，压成钝角的角钢或冲压成形的防磨瓦。

（4）安装时一定要调整好下部受热面吊拉管与上部受热管子的间隙，防止振动造成管子之间摩擦而受损导致破坏。

（5）选择合理的吹灰方法，采用蒸汽吹灰时，注意吹灰前应疏水或者设置吹前活动吹灰口，防止沿某一特定方位吹灰，也可采用受热面上加防磨瓦或涂防磨漆等防磨措施以减小吹灰磨损。

3　超温爆管

3.1　超温爆管原因分析

2005年11月我们在检验一台130t/h锅炉时，发现乙侧过热器管严重变形，胀粗量超标，且管子外表面有氧化铁层。经查阅锅炉运行检修记录，该锅炉在大修前已发生过爆管事故，再进一步对更换下来的爆管段检查，发现其爆破口明显胀粗，管壁减薄很多，爆破口呈尖锐的喇叭形，其边缘很锋利，具有韧性断裂的特征，爆破口附近有氧化铁层。该锅炉乙侧测温装置已损坏多时，一直未修复。锅炉吹灰装置自安装好后，一直未投入运行。过热器中间管排几乎被积灰堵死，在锅炉乙侧形成明显的烟气走廊。根据上述检验情况分析，该锅炉过热器变形、胀粗乃至爆管，显然是一起短时超温爆管事故，对其原因分析如下：

（1）由于锅炉吹灰装置未投入，导致炉膛受热面积灰、结焦较为严重。炉膛受热面吸热量减少，导致排烟温度升高，致使过热器管壁温度提高。

（2）过热器中间管排积灰严重，且在锅炉乙侧形成烟气走廊，加速壁温急剧攀升。

（3）锅炉乙侧测温装置损坏，使得乙侧烟气温度无法控制。运行中仅靠甲侧温度显示进行调节，难以保证乙侧在正常工况下运行。从而导致乙侧过热器管子严重变形、胀粗、氧化，直至爆管。

（4）锅炉频繁启停，且不能严格按照升、停炉曲线进行操作。长时间低负荷运行，过热蒸汽流量减少而使壁温升高，也是导致爆管的原因之一。

3.2　超温爆管预防措施

针对上述原因，要防止和减少锅炉过热器管不再发生超温爆管事故，就必须采取以下措施：

（1）修复锅炉乙侧测温装置，并在过热器的选定回路或元件上安装测温热电偶，确保锅炉运行中各受热元件始终在操作人员的掌控之中。

（2）恢复锅炉吹灰装置，及时清除锅炉积灰，严格控制炉膛热负荷，在额定负荷时，燃煤锅炉容积热负荷不可超过（100～500）×103kcal/m³·h^［2］，并且尽可能取下限。

（3）设置超温报警系统，确定最高温度报警值。(www.xing528.com)

（4）确定锅炉合理的启停程序曲线，要求运行人员必须严格执行。

（5）要选择辐射和对流受热面的适当部位，定期进行割管检查，随时掌握管内结垢、腐蚀情况和金属组织结构变化情况，以便对症下药。

4　腐蚀爆管

4.1　腐蚀爆管原因分析

2005年9月我们对某电厂一台670t/h锅炉进行检验时发现该锅炉水冷壁存在大面积腐蚀现象。经查阅相关资料，得知该锅炉曾因腐蚀造成管壁减薄引起过爆管停炉事故。本次发现的腐蚀现象主要集中在燃烧器标高层水冷壁的向火侧区域。具体腐蚀位置及特征：后墙和右墙水冷壁腐蚀严重，左墙腐蚀较少，而前墙几乎没有腐蚀。腐蚀区域呈现不规则的片状，各腐蚀区域的分布无规律。但每个腐蚀区域内，腐蚀有明显的方向性，即一个腐蚀区域内所有腐蚀均发生在管壁的一侧。所有被腐蚀的管子外均有一层较厚的细灰。从宏观上看，细灰在管壁外侧、管壁与鳍片过渡区都很圆滑、整齐，看不出有腐蚀现象。将管壁上的细灰清除干净后，就会发现细灰下管壁已被严重腐蚀。管壁被腐蚀的一侧就像被刀切一样，在管壁上形成了一个平台。经现场详细检查，发现共有132根水冷壁管腐蚀。腐蚀部位管壁实测壁厚小于水冷壁管的理论计算壁厚。据此，我们认为这是一起典型的水冷壁高温腐蚀现象。产生的原因有以下几点：

（1）火焰偏移，在燃烧器区域内出现火焰冲墙的现象。其一，造成局部水冷壁壁温升高，即炉膛右后墙水冷壁壁温升高较大；其二，烟气中未燃尽的煤粉颗粒对水冷壁管壁的磨损将加速水冷壁管上保护膜的破坏，加快金属管壁高温腐蚀的过程。

（2）局部区域存在还原性气体。由于着火延迟，未燃烬的煤粉在水冷壁附近进一步燃烧时，发生化学不完全燃烧反应，形成局部缺氧区，使炉膛壁面附近处于含有还原性气体（CO、H₂）和腐蚀性气体（H₂S）的烟气成分之中，没有完全燃烧的游离硫和硫化物与金属管壁发生反应，引起管外壁腐蚀。有资料表明，烟气中CO浓度越大，高温腐蚀就越严重；H₂S的浓度大于0.01％时，就会对钢材产生强烈的腐蚀作用；而当含氧量大于2％时，基本上不会发生高温腐蚀^［3］。

（3）燃煤品质低。燃煤中硫含量越高，腐蚀性介质浓度越大，高硫煤产生的大量H₂S、SO₂、SO₃、单质硫〔S〕不仅破坏管壁的Fe₂O₃保护膜，还侵蚀管子表面，致使金属管壁不断减薄。

（4）煤粉的颗粒过大。煤粉的颗粒越大，也就越不易燃尽，比较容易形成还原性气氛，产生管外腐蚀。同时，颗粒越大，对壁面的磨损也越严重，破坏了水冷壁管外氧化保护膜，使烟气中腐蚀介质直接与管壁金属发生反应，使腐蚀加剧。

（5）过高的水冷壁管壁温度。研究表明，H₂S等腐蚀性介质的腐蚀性在300℃以上逐步增强，即温度每升高50℃，腐蚀程度将增加一倍。对于本次检验的锅炉，燃烧器区域的水冷壁管管壁温度在380℃左右，正处于金属发生强烈高温腐蚀的温度范围之内。同时，由于炉内空气动力场倾斜，炉右的烟温要大于炉左烟温，炉后烟温大于炉前烟温，使管子局部壁面温度过高，易使具有腐蚀性的低熔点化合物黏附在金属表面，促进了管壁高温腐蚀的发生。因此炉右和炉后水冷壁高温腐蚀情况要比炉左和炉前严重得多。

4.2　腐蚀爆管预防措施

针对水冷壁高温腐蚀产生原因，可采取以下预防措施：

（1）利用空气动力场试验的方法，调整燃烧器喷射角度，防止炉内切圆偏移，避免烟气对水冷壁的直接冲刷，防止局部管壁温度过高。

（2）加强对燃料的控制，可通过燃烧前和燃烧中除硫的方法，降低燃料的含硫量；同时适当控制煤粉细度，尽可能均匀各燃烧器之间的煤粉浓度分布。

（3）加强对给水的控制，适当提高高温腐蚀区域水冷壁管内水流速度，降低管壁温度，严格控制给水品质，避免因水冷壁管内结垢而影响换热，从而导致水冷壁管壁温度增加。

（4）提高金属抗腐蚀能力，可采用耐腐蚀高合金钢，渗铝管及在管外敷设碳化硅涂料等表面防护方式，降低腐蚀速度。

（5）加强燃烧调整、合理配风，以达到降低水冷壁附近还原性气氛的目的。

（6）保持氧化性气氛，保护炉膛贴壁为氧化性气氛，可以在贴壁处加入一股空气流，以冲淡SO₂的浓度，使结积层中分解出来的SO₂向外扩散。

5　垢下腐蚀

在检验中，我们也遇到过个别的锅炉产生管内垢下腐蚀，导致爆管事故发生的现象。其主要原因是工厂管理跟不上，锅炉给水质量得不到保障，锅炉安装或大修后，清洗不彻底，导致锅炉结垢。由于锅炉给水中MgCl₂、CaCl₂处理不到位，从而在垢下会产生酸性水对金属的腐蚀，其过程为：

此时由于氢的扩散，会引起碳钢脱碳，金相组织发生变化，生成细小的裂纹，使金属变脆而破坏。对此，必须从水质管理上下工夫，严格水质标准，做到不合格水质，严禁入炉，并使炉水保持适当的PH值。新安装或大修后的锅炉，一定要进行化学清洗，确认清洗合格后，才能投入运行。

6　结　论

近年来，随着大型电站锅炉定期检验业务的不断扩大，受检锅炉情况的多样性、复杂性不断增加。对电厂管理能力、操作技能、监督责任以及检验人员的检验水平和检验能力提出了更高的要求。无论是运行管理还是检验不仅能善于发现问题而且应具有分析、总结、归纳、处理问题的综合技术能力，这样锅炉才能安全运行，为社会作出更大的贡献。

参考文献

［1］西安电力学校.高压锅炉设备及运行.北京：水利电力出版社，1979

［2］赵斅，朱兆富.动力锅炉检验及故障分析.北京：劳动人事出版社，1985

［3］何佩鏊，赵仲琥，秦裕琨.煤粉燃烧器的设计与运行.北京：机械工业出版社，1987

（该论文为2006年11月“陕西省特种设备协会2006年学术年会”交流论文）