华能莱芜电厂#4、5锅炉末级过热器爆管原因分析及预防

1、华能莱芜电厂#4、5锅炉末级过热器爆管原因分析及预防摘 要：山东华能莱芜电厂2×330 MW #4、5机组锅炉自2012年下半年以来连续在同一位置发生三次末级过热器爆管事故（累计运行仅3万小时/台），造成了很大经济损失。该厂为查明原因做了大量工作，检查级喷水减温器、末过入口联箱与管子（异物和氧化皮）、管材等均未发现异常，使爆管原因分析工作陷入困境。本文通过对大量运行参数并结合末过入口联箱结构展开深入分析，提出这几次事故是在特殊条件下氧化皮提前脱落造成爆管的结论，并制定出针对性预防措施。 关键词： 锅炉四管 泄漏分析 防范措施一、基本概况华能莱芜电厂2×330 MW #4、5

2、机组锅炉为上海锅炉厂生产的亚临界压力中间一次再热控制循环汽包炉，累计运行时间均达到3万小时。锅炉点火方式是等离子点燃A层煤粉，再逐级投入上层喷燃器。在炉膛折焰角及延伸侧墙斜烟道上依次布置屏式再热器 、末级再热器，末级过热器。过热蒸汽汽温调节主要靠喷水减温器,I级喷水减温器布置在低温过热器与分隔屏之间的管道上,级喷水减温器布置在后屏与末级过热器之间管道上。末级过热器共81排，每排四根入口管子，呈“W”布置，管材用钢入口侧为T23（ø51×6.5），出口侧外两圈为T91（ø51×7.0），内两圈为T23（ø51×7.0）。自2012年下半

3、年以来连续发生三次末过爆管事故，造成很大经济损失。二、爆管事故概况2.1 三次事故统计炉号时间爆口位置（末级过热器入口）爆管材质爆口特征二级减温水投入时主蒸汽流量（t/h）#4冷态开机6天东数41排南数第2根T23长期过热173（负荷21MW）#5冷态开机2天东数42排南数第3根T23短时过热96（负荷46MW）#4冷态开机2天东数42排南数第3根T23短时过热144（负荷29MW）三次泄漏事件共性点分析（1）均发生在机组冷态启动各项参数正常后的几天内。（2）爆口均发生在末级过热器入口三通正下方管排（东数第41、42排）南数第2或第3根，距离下弯头不远处。（3）调取大量冷态启动历史曲线，发现级

4、减温水均在主蒸汽流量（负荷）较低时投入。（4）管壁温度未现异常。#5炉（2012年10月26日）末级过热器爆口及爆口边缘处金相组织400×三、事故可能原因分析3.1 水塞过热锅炉点火启动前或启动过程中，可能因各种原因造成末过入口的管束内存有积水而形成水塞。水塞的显著特点：（1）管内介质流通停滞，当此处烟温达到管材允许极限将很快发生爆管。一般爆管发生在机组启动初期十几个小时内。（2）过热器管束管壁温度急剧上升，随着流量增加及流速增快，个别管子水塞被冲开，则管壁温度会急剧下降。（3）爆口的破口形状、颜色和金属组织具有短时大幅超温特征。2013年3月19日#4炉开机历史曲线调取2013年3

5、月19日#4炉开机历史曲线，3月20日2时45分，级减温器出口温度突然由390下降至340。分析认为：一是减温水隔绝门、调整门在给水管道平台，距离炉顶大包级减温联箱35米远，由于自身存在漏量，在减温水隔绝门后管道内逐渐积存大量温度较低的冷却水；二是当开启严密性差的截门或调门时，管道中存在的这部分水会突然进入减温器联箱，造成减温器出口温度瞬间降低。减温水的短暂涌入，并不能说明在末过入口一定形成了水塞。这几次爆管均发生在机组启动几天以后，在这之前末过入口烟温多次大大超过管材允许使用温度极限，如果发生水塞，不可能坚持这么长时间。况且，末过入口管壁温度并未出现异常，说明水并没有涌入管屏，否则管壁温度肯

6、定有所反应。因此发生水塞爆管的可能性不大。备注：2012年6月对#5炉级减温联器进行内窥镜检查未见异常。3.2 氧化皮脱落堵塞过热锅炉金属管在高温水蒸汽环境下产生氧化皮属于正常现象。氧化皮由Fe3O4、Fe2O3、FeO三部分组成，由于管子金属材料的线膨胀系数比氧化皮线膨胀系数大得多，当氧化层达到一定厚度的临界值或温度变化幅度大，速度快，频率高时就会发生脱落。由于在启停炉时过热器或再热器内壁氧化皮产生很大的胀差而脱落，最终导致过热器或再热器爆管的问题在超(超)临界机组中比较常见 。根据有关资料表明，T23钢管在运行3万h后就会出现氧化皮并脱落，我厂#4、5炉运行超过3万小时，并已经在管子内部发

7、现氧化皮形成现象。如果是氧化皮脱落在下弯头积存，则能很好解释这几次爆管事故，但是经过对未爆管割管检查、射线拍片检查均未发现氧化皮存积现象。3.3 其它原因3.3.1“三通效应”造成末过入口介质分布不均，第41、42排蒸汽流量过小。通过调取大量开机曲线，在锅炉启动初期，第41排管壁温度均大大低于两侧其它管壁温度，随着流量增加，这种偏差很快减小。这说明：在锅炉启动初期，正对着后屏过热器至末过入口联箱连接管进口的第41、42排管子里面的介质流量大于其它管子。随着蒸汽流量加大，蒸汽在各管子内的流量趋于平均；再则，假如运行中流动介质发生二次涡流现象，存在“三通效应”，则对着三通的管子将普遍存在长期超温失

8、效问题，但对临近管子机械性能试验显示，管子性能良好。其它电厂发生了由于“三通效应”发生爆管的事例，相关专家也发表了有关论文。但是发生事故电厂末过三通是“”型，并且在168小时试运期间就连续爆管，所爆夹持管布置在三通中部侧母线，而这个位置的支管介质最少，所以发生爆管。而我厂三通设计显然考虑了“三通效应”的二次涡流影响，采取了下部“内凹”型，支管布置在正母线两侧45°范围内。综上分析，由于管子“三通效应”存在吸热介质过少的问题可能性很小。 3.3.2 联箱内有异物（1）从开机曲线来看，并没有发现中间管排管壁温高于其它管子的依据，反而是低于其它管壁温度。（2）#4、5炉均在一个位置发生爆管

9、，如果有异物的话，不会如此的巧合。因此联箱内有异物的可能性不大，在#5机组检修时对末过入口联箱进行内窥镜检查证实了这一点。3.3.3 管子材质问题经山东电力研究院对爆口以外的管子、新管子进行金相分析和力学性能试验测试均符合有关标准，并且T23钢综合性能要好于钢102，所以管子材质有问题证据也不充分。四、最接近事件真相的可能结合末过系统实际布置情况，并对图纸、历史曲线仔细分析，我们认为还是氧化皮脱落造成了这三次事故。理由如下：（1）末过管子内壁已经产生氧化皮，并且达到了一定厚度（T23管比T91管严重），具备了脱落的条件之一。2012年10月#5炉泄漏，管子内部氧化皮“鼓包”情况（T23）（2）

10、锅炉冷态启动采取的是等离子点火直接投粉的方式，等离子能量比较油枪点火能量小得多，前期燃烧强度和稳定很难操控，需要提前投入减温水来控制汽温升速率。这种操作，虽然温升率和升压率不会超标，但烟温和二级减温器出口汽温温升速率很大，造成管子壁温变化较大，容易造成氧化皮脱落。（3）在主蒸汽流量较小时投入级减温水，此时减温水温度与后屏过热器出口汽温温差很大，又由于级减温器喷口距离末过入口很近，如果低温减温水喷入后无法完全吸热变为蒸汽，就很容易造成未汽化的减温水以无数细小水滴的形式与蒸汽一起进入末过入口联箱。2012年7月13日#4炉启动初期高加出口水温及级减温器出口汽温从上图看到，2012年7月13日04:

11、54:56，级减温器出口汽温508，减温水量3.2T/h，减温水温却只有84，温差达到424.2013年4月19日#5炉冷态启动初期高加出口水温及级减温器出口汽温从上图看到，2013年4月19日05:25:50，负荷18MW，主汽流量81T/h，级减温器出口汽温470，减温水量2.5T/h，减温水温118，温差达到352.从下图看出，末过入口三通下部结构成“凹”形，东数40、41、42排南数第2、3根管子布置在最低部。因为水滴的重度大，惯性也大，很大部分水滴随着蒸汽直接进入这些正对末过入口三通下部的最低部管子。当这些水滴溅在垂直高温管段的内壁时迅速吸热变为蒸汽，造成该部位的温度急冷急热，又由于

12、水变为蒸汽体积急剧膨胀，伴有很大响声，对此处的氧化皮特别是“鼓包”部位产生剧烈激振作用，最终造成大量细碎氧化皮迅速脱落。对以下现象进一步解释： （1）为何其它管子未发现氧化皮？由于低温度减温水以无数细小水滴的形式首先进入三通中间最下部管子，只有较少部分进入了旁边的管子，其它管子虽然有氧化皮生成现象，但因为累积运行时间短远未达到大量脱落的地步，就是有少量脱落，随着蒸汽流量增加也被及时带走，这解释了为何其它管子未发现氧化皮的原因。(2)爆管壁温未见异常？一则管壁温度测点布置在炉顶外侧大包内，距离末过下弯头将近12米，并且在如此大的尾部烟道断面内，分布在炉顶处的烟温远远低于下弯头处，管壁温度不仅受到

13、蒸汽温度影响，还要受到烟温影响，所以很难实时反映超温部位的实际情况。我厂与同类型机组的莱城电厂分别在末过炉管出入口增加了温度测点，调取爆管历史参数，壁温均未发现明显异常；二则在锅炉冷态点火初期，低温减温水投入时，因为进入管道的是无数的细小水滴，它溅在末过入口高温管子内壁后迅速蒸发，造成管子内壁不断发生忽冷忽热变化，而外管壁温度不会发生明显异常。结论：通过以上综合分析，我厂#4、5机组冷态启动后锅炉末过发生三次爆管原因是在特殊条件下氧化皮提前脱落造成的：炉号时间爆口位置（末过入口）原因#4冷态开机6天东数41排南数第2根较多氧化皮脱落，存积厚度虽未超过限值，但引起管子处于过热状态。#5冷态开机2

14、天东数42排南数第3根大量氧化皮脱落，存积厚度很快超过限值引起管子过热。#4冷态开机2天东数42排南数第3根大量氧化皮脱落，存积厚度很快超过限值引起管子过热。（1）末过管子内壁已经产生氧化皮并且达到了一定厚度。（2）锅炉启动初期蒸汽流量小，低温度级减温水喷入后无法完全吸热变为蒸汽而形成无数的细小水滴，它们绝大部分随着蒸汽进入末过入口联箱三通下部第40、41、42排（南数第2、3根）管子，造成内壁管子温度急冷急热，导致了个别管子的氧化皮很快大量脱落。又由于启动初期蒸汽流量小，不能迅速将剥落的氧化皮带走，等到大流量时，已经在管径较小的弯头处形成堵塞，最终造成管壁超温过热。锅炉正常运行工况下，末过中

15、间管排下弯头部位热负荷最高，管子在此位置首先发生爆破。这是发生三次爆管事故的直接原因。五、预防措施氧化皮是金属在高温水汽中发生氧化的结果，它的生成速度与温度、介质中氧的分压等因素有关，它的剥离与机组采用材质、锅炉燃烧工况、机组启停速率等因素有关。高参数大容量机组炉管氧化皮生成与脱落是一个不可避免的现象，我们只能采取措施延缓氧化皮的生成速度，避免氧化皮突然脱落造成的危害。针对#4、5锅炉末过现阶段经常爆管提出如下针对性措施:5.1 电厂方面(1)锅炉冷态启动，最好先对炉子投油预热，以利于运行人员控制好燃烧工况。升温升压过程中，运行人员在严格按照规程控制好温升率、升压率的同时，也要高度重视各部烟温和I、级减温器出口汽温变化速率的控制。(2)冷态启动中需投入减温水时要精心的加以调整，先投I级减温水，在负荷60MW之前尽可能不投级减温水。(3)提高检修质量，保证减温水前后截门和调门的严密性。在投入前，先对减温水管道充分疏水暖管，防止冷水突然进入减温器，引起蒸汽和管壁温度剧烈变化。(4)定