2012年2月内蒙古科技与经济F ebruar y2012　第4期总第254期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.4T o tal N o.254超临界锅炉受热面爆管原因及预防措施X葛　军(内蒙古第一电力建设工程有限责任公司,内蒙古包头　014030) 摘　要:从设计、安装、运行和维护几方面,总结了锅炉受热面爆管的主要原因:氧化皮剥落,高温蠕变,异种钢焊口断裂,烟气腐蚀和飞灰磨损,并针对以上问题提出了相应的预防措施。

关键词:超临界;锅炉;受热面爆管;预防措施 中图分类号:T M621.2 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)04—0090—02 近年来,我国电力工业建设的迅猛发展,各种类型的超临界火力发电机组不断涌现,锅炉结构及运行更加趋于复杂,不可避免地导致并联各管内的流量与吸热量发生差异。

高压受热面的工作条件与设计工况偏离,氧化皮堆积,金属材料的蠕变和疲劳等都会导致锅炉受热面发生爆管。

随着旧机组服役时间的增加及新机组投产量和参数的提高,锅炉受热面爆管事故已经影响安全发供电的主要因素。

因此,研究和防止过热器爆管,了解过热器爆管事故的直接原因和根本原因,搞清管子失效的机理,并提出预防措施已经成为保证火电厂安全经济运行和提高经济效益的关键问题。

1　氧化皮剥落1.1　氧化皮生成和剥落机理钢表面氧化皮的生成是金属在高温水汽中发生氧化的结果。

在570℃以下,生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4组成,Fe2O3和Fe3O4都比较致密(尤其是F e3O4),因而可以保护钢材以免其进一步氧化。

当超过570℃时,氧化膜由F e2O3、F e3O4、FeO3层组成(F eO在最内层),主要是由FeO组成,因FeO 致密性差,破坏了整个氧化膜的稳定性。

事实上,当温度超过450℃时,由于热应力等因素的作用,生成的Fe3O4不能形成致密的保护膜,使水蒸气和铁不断发生反应。

当汽水温度达到570℃以上,反应生成物为F eO,且反应速度更快,此时,金属的抗氧化能力大大降低。

氧化皮形成与温度、时间、氧含量、蒸汽压力和流速、钢材成分、氧化皮成分等有关。

通常认为:温度愈高,时间愈长,介质中氧的分压愈高,流速愈快,氧化皮生成速度愈快;钢中加入Cr、A l、Si等元素,生成的氧化膜致密而牢固,可以使钢材的抗氧化性提高。

氧化皮的剥落有2个主要条件:¹氧化层达到一定厚度,通常不锈钢为0.10mm,铬钼钢为(0.2～0.5)m m;º温度变化幅度大,速度快,频度高。

由于热胀系数的差异,当垢层达到一定厚度后,在温度发生变化,尤其是发生反复或剧烈变化时,氧化皮即很容易从金属本体剥离。

1.2　预防氧化皮剥落造成受热面爆管的措施主流的超临界机组蒸汽参数已经超过达到和超过570℃,氧化皮的生成不可避免,更应当重视高温蒸汽受热面中氧化的生成和剥落问题。

从制造厂设计角度考虑,在高温蒸汽受热面的设计选材时,应当尽量选用抗氧化性能较好的钢材,从源头上控制氧化皮的生成速率。

从生产运行方面考虑,在稳定运行工况下应当注意防止气温偏差过大导致的受热面局部超温;在变负荷工况下应当严格控制汽温汽压的变化速率,防止反复剧烈的蒸汽参数变化。

从检修和维护工作考虑,停炉检修期间应对相应受热面进行氧化皮检测,对于有条件的单位,推荐采用新型的无损检测方法。

2　高温蠕变2.1　产生高温蠕变的原因蠕变是指金属在一定的温度和应力作用下,随时间的增加缓慢发生塑性变形的现象,温度越高,应力越大,金属蠕变速度越快。

锅炉受热面管道在正常的设计温度和压力下运行,其使用寿命可达10～15万小时以上。

但如果管壁温度长期处于设计温度以上而低于材料的下临界温度,则会发生碳化物球化,管壁氧化减薄,持久强度下降,蠕变速度加快,直至最终爆管。

超温程度越大,受热面管道寿命越短。

高温蠕变主要发生在高温过热器和高温再热器管道,极端工况下,也可能发生在低温过热器、再热器和水冷壁的向火侧。

受热面管道在高温下运行时所受应力主要是工质内压力产生的切向应力,这种盈利使管径发生胀粗。

当过热器管道在设计应力和设计温度下正常运行时,管道以10mm/h～7mm/h数量级的速度发生径向蠕变。

当管道由于超温长期处于过热状态时,即使所受应力不变,管道径向蠕变速度也会加快。

当径向蠕变量增大到一定程度,管道各处就会产生晶间裂纹,晶间裂纹的持续积累和扩大最终就形成了宏观轴向裂纹,即发生受热面的爆管事故。

2.2　预防高温蠕变造成受热面爆管的措施预防高温蠕变型爆管可以从以下几方面入手:从设计角度,应当按照受热面的运行温度和压力选用适当的管材,避免高温工质受热面处于燃烧室内热负荷最大的区域,通过改进受热面结构使介质流量分配合理。

从安装角度,要防止错用管材,安装过程中应保证受热面的清洁,防止管道堵塞,对容易超温的受热面,应装设壁温测点。

从运行角度,应维持合理的炉内燃烧状态、防止燃烧中心偏高和管壁超・90・X收稿日期:2011-12-13　葛军・超临界锅炉受热面爆管原因及预防措施2012年第4期温;检修和维护中应对已接近设计寿命的管道应及时更换,定期割管进行组织性能试验。

3　异种钢焊口断裂3.1　异种钢焊口断裂的原因在大型机组中,综合考虑过热器和再热器的可靠性和制造成本,在壁温较高的区域采用奥氏体钢,在壁温较低的区域采用低合金钢,不可避免地存在异种钢焊口。

异种钢焊口上,各区之间的化学成分、导热系数和热膨胀系数不同。

由于奥氏体合金钢的导热系数小,热膨胀系数大,在异种钢焊接处存在结构应力,应力过大则易造成蠕变损伤。

当受热面温度超过设计值时,异种钢焊口也可能因应力过大发生焊口断裂。

另外,奥氏体钢特别不耐氯离子腐蚀,也容易形成应力腐蚀裂纹。

3.2　异种钢焊口断裂预防措施异种钢焊口断裂的预防需要做好以下几方面的工作:在受热面设计中,应充分核算工作温度下的焊口应力,防止焊口应力过大。

受热面的制造安装中,应采用Ni基合金焊条,焊接工作完成后应进行无损探伤,及时发现焊接缺陷。

设备运行中,要严格监控受热面金属壁温,防止超温。

4　烟气腐蚀受热面的烟气腐蚀包括高温腐蚀和低温腐蚀两类。

4.1　高温腐蚀的机理高温腐蚀是由沉积物中的非硅酸盐杂质化学变化引起的一种炉管金属损耗,通常发生在过热器和再热器管道的烟气侧。

在水冷壁高温段和液态排渣炉的水冷壁烟气侧则可能发生高温硫腐蚀和高温氯化氢腐蚀。

液态灰粘结在过热器管壁上,其中硫分与钠、镁、钾等生成对应的硫酸盐,并与管壁上的氧化铁反应形成复合硫酸盐。

这种复合硫酸盐在550℃以上呈熔融状态,在700℃以上时继续与铁发生反应生成硫化亚铁和氧化铁,使管壁发生腐蚀。

水冷壁与高温过热器的高温腐蚀机理不同。

以水冷壁的高温硫腐蚀为例,高温腐蚀通常发生在燃烧器附近区域的水冷壁外表面。

由于燃烧器附近区域存在较强的还原性气氛,硫能以原子状态单独存在,自由的硫原子与受热面中的铁直接反应生成硫化亚铁,硫化亚铁遇氧气后再生成四氧化三铁。

在液态排渣锅炉和燃用高硫煤种的锅炉,尤其要注意水冷壁的高温腐蚀。

4.2　低温腐蚀的机理低温腐蚀常出现在给水温度较低的省煤器表面,一般在受热面严重积灰时发生。

煤中硫燃烧后生成的二氧化硫,其中一部分进一步氧化生成三氧化硫,与烟气中水蒸气结合形成硫酸蒸汽,凝结在温度低于烟气露点的金属表面,导致金属外壁发生腐蚀。

低温腐蚀最严重的区域烟温在水蒸气凝结温度附近和酸露点以下10℃～40℃。

锅炉运行时的过量空气系数过大会促使大量的二氧化硫氧化成三氧化硫,加速低温腐蚀。

4.3　烟气腐蚀的预防措施预防高温腐蚀应从多方面入手,受热面设计中应注意控制炉膛内热负荷和炉膛出口烟温,防止飞灰熔融;对于高流煤种,应配备较高的一次风速和周界风速。

受热面安装时,应考虑在易发生高温腐蚀的区域喷涂防腐防磨材料。

锅炉运行中应避免火焰中心偏斜,防止局部烟温过高;燃用高硫煤种时,应适当增加送风量,抑制炉内还原性气氛。

在尾部烟道受热面设计中,应注意控制冷段烟温不低于酸露点,并留有一定裕度。

空预器和省煤器的冷端受热面在安装时应采取防腐措施,如采用耐腐管材或喷涂防腐层。

锅炉运行中,宜控制过量空气系数,减少三氧化硫的生成量;根据受热面积灰情况定期投入吹灰和水冲洗。

5　飞灰磨损5.1　飞灰磨损的原理飞灰磨损是指烟气中的飞灰高速冲击和切削受热面外壁,使受热面管道持续减薄的过程。

炉膛和尾部烟道内受热面正对烟气流向的管排,易形成烟气走廊的部位和烟气转弯处都是飞灰磨损严重的区域。

飞灰磨损容易发生在高温段省煤器的烟气入口和出口处,过热器和再热器入口处的弯头,出列的管子,燃烧器附近的水冷壁管。

飞灰磨损主要受烟气流速,烟气速度、飞灰浓度、飞灰硬度、管束几何形状和抗磨性等因素影响。

对于确定的锅炉和燃料,则主要取决于烟气速度和飞灰浓度。

可以简化地认为飞灰磨损的速度与烟气中的飞灰浓度成正比,同时与烟气速度的三次方成正比。

5.2　飞灰磨损的预防措施尾部烟道受热面设计时应充分考虑飞灰磨损,根据燃料飞灰特性选择合理的烟气流速;膜式省煤器在传热和耐磨特性方面都优于光管省煤器,在省煤器受热面设计中可予以优先考虑。

在安装中,对易磨损管排应考虑加装防磨瓦,同时还应装设烟气挡板防止产生烟气走廊。

运行中应注意控制燃烧过量空气系数和煤粉细度,尽量降低烟气流速并保证煤粉细度均匀。

检修和维护中应注意检查和封堵烟气通道壁面和炉底的漏风部位,运行一段时间后应对磨损严重的管道进行更换和加装防磨护板,大修时进行省煤器翻身以延长受热面使用寿命。

6　结束语超临界机组发生爆管可能是以上某一方面的原因,也可能是几个因素共同作用的结果,实际中需要根据受热面布置位置,运行工况等数据综合分析,更需要设计、安装、运行和维护单位通力协作,有针对性地制定预防措施。

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