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浅析锅炉过热器爆管机理

发布时间：2011/1/15 阅读次数：927 字体大小: 【小】【中】【大】

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摘要探讨了近期发生的2、3#锅炉过热器爆管机理，指出直接原因是过热器管道的磨损，同时长期超温及腐蚀问题也不容忽视。

关键词锅炉；过热器；爆管机理

1 锅炉及过热器爆管概况

我厂现有三台B＆WB-130/3.82-M锅炉，经过提产改造后额定出力达到150t/h。制粉系统为中间储仓式热风送粉系统，干燥剂为热风加乏气再循环，燃烧器为四角布置直流型、百页窗式水平浓淡燃烧器。过热器、省煤器和空气预热器均为两级布置，在两级过热器之间布置有采用自制冷凝水喷水减温的减温器。

过热器基本数据见下表。

名称		规格	数量（排）	材质	布置
一级过热器	顶棚管	Φ38×3.5	63	20#	混流
一级过热器	蛇形管	Φ38×3.5	63	20#	混流
二级过热器		Φ42×3.5	62	15GrMo	顺流

过热器的布置见下图1。

在锅炉由130t/h提产改造为150t/h时，还将一级过热器减少了约20%的受热面积。

7月中旬，提产改造后的2、3#锅炉运行中相继突发过热器爆管，从汽水泄漏量不正常升高亦即爆管开始，只经过48～72小时，锅炉便难以维持运行而被迫停炉，影响到全厂生产。冷炉后检查发现，锅炉这两次爆管具有如下特点：

1.1 受损伤管多。热电2、3#锅炉是92年、95年分别投产的，应该说运行时间只有几年，并未到更换过热器的周期。然而，两次爆管共计有30根过热器管上出现大小不等的爆破口，其中一级过热器顶棚管10根，二级过热器20根。

1.2 受损管集中。80%以上的爆管发生在图1所示的圆圈区域，即过热器顶部一、二级过热器交叉处和二级过热器下部弯管处。而且爆管相邻，靠近烟道横截面中部。部分爆管上有2～3个破口。

1.3 爆破口形貌相似。破口大多不大，长5— 10cm，宽1—3cm，形状不规则，附近明显存在冲刷磨损痕迹，断面粗糙，边缘较钝，内部洁净，外层有氧化物，基本无胀粗现象。

本文拟就这两次过热器爆管的机理做一探索，并籍此以引起有关方面的高度重视。

2 过热器爆管机理分析

2.1 爆管的直接原因是飞灰磨损。

图2和图3是此两次爆管最典型的爆破口。我们注意到几乎所有的爆破口都存在明显磨损的痕迹，破口附近壁厚减薄，且破口面与烟气来流方向呈45度夹角。这是灰粒和受热面间的不断冲击及不断剪切同时作用的结果。影响磨损最重要的因素是烟气速度和灰粒浓度。

图2 二级过热器下弯管爆破口

图3 一级过热器顶棚管爆破口

2.1.1 磨损和流速的3.22次方成正比，因此速度影响很大。由于过热器区域温度较高，灰粒较软，设计中通常不考虑磨损。然而改造后的2、3#锅炉，烟气流速平均已达到11m/s。因离心力的作用，过热器的顶部、中部及底部，是烟气流速特高区，加之炉膛烟气残余旋转带来的影响，形成了局部烟气走廊，有时可比平均流速大3～4倍，这样磨损就要大几十倍，从而导致磨损问题变得十分突出。从爆管统计上看，正是这些位置上的管子发生了明显磨损。此外，凝渣管两侧存在的结焦堵塞，使过热器中部烟气走廊更为明显。

2.1.2 磨损的根源是烟气中的灰粒。它来自燃料中的灰份。一年多来，热电锅炉实际用煤一直存在灰份比设计值高，发热量比设计值低的问题，有时灰份含量竟超过一倍。在燃用高灰份煤后，飞灰的浓度大大增加，且灰粒具有和烟气同样的流速，于是引起了强烈的磨损。飞灰浓度集中的烟气走廊区域，情况更为严重。另一方面，2、3#锅炉飞灰可燃物一直偏高，灰中的碳粒不能完全燃烧，硬度较大，这使得磨损进一步加剧。

2.1.3 二次燃烧带来的烧损。运行中的锅炉工况受外界影响很大，有可能在凝渣管、过热器拉稀管区域发生煤粉二次燃烧。根据对水平烟道的检查，不少过热器管上结有焦渣，除去焦渣后局部有烧蚀的痕迹。烧损与磨损的双重作用，无疑使过热器工作条件恶化，增加了爆管的可能性。

2.2 爆管的间接原因是长期超温过热。

尽管这两次爆管具有一定的突发性，但观察爆破口形貌，未发现明显的胀粗或鼓疱，以及“薄唇”锐边核桃状的爆破口，这表明不是短期过热所致。相反，这些破口具有某些长期过热爆管的特征，如胀粗不严重，破口不大，断面粗糙等。事实上，2、3#锅炉在提产改造前的实际运行中一直存在主汽温偏高问题，有时甚至是严重超温，这无疑增添了爆管的风险。在锅炉受热面中，过热器的工作条件最差，根据设计，二级过热器的入口烟温是1097℃，出口烟温是894℃，由于过热蒸汽的传热性能较差，因而二级过热器管经常处在钢材耐热极限温度条件下工作，即使是采用了15CrMo这一低合金珠光体热强钢，但当管壁温度超过550℃时，蠕变极限和持久强度将显著降低。过热器局部超温原因有：

2.2.1 过热器管排存在的热偏差。对流烟道的热负荷分布是不均匀的，烟道中部的热负荷往往是烟道两侧热负荷的1.8倍，这使得部分管排受热过于集中。一旦实际运行的管壁温度超过钢材的耐热极限温度和高温氧化温度，必将引起管子蠕变爆管和氧化腐蚀。

2.2.2 实际使用的煤种变化大，与设计煤种差别大。在燃用低发热量高灰份煤时，配风难以正常，炉内燃烧工况恶化，如火焰偏斜，燃烧不完全，火焰中心上移等，导致水冷壁及过热器受热面大面积结焦或堆灰，影响到传热效果，增高了进入过热器的烟温。

2.2.3 锅炉过热器处长期以来无吹灰设备，不能及时清除管壁积灰积渣。这一项涉及锅炉安全运行的定期工作制因此而未能得到严格执行。

2.2.4 锅炉负荷波动的影响。锅炉蒸汽侧的变化往往敏捷于烟气侧，而燃烧调整总是滞后的。负荷降低过快时，过热器管排蒸汽流量分配不均匀，部分管排蒸汽流速突然降低甚至发生停滞，造成瞬间管壁的过热。超负荷运行的影响更为严重，一方面蒸汽流速加快，管内冲刷剧烈，另一方面烟温提高幅度更大，过热器管因得不到及时冷却而超温。

制粉系统工况不良、炉本体漏风等也是超温的重要原因。

2.3 爆管还与外壁腐蚀及停炉腐蚀有关。

检查爆破的管子内部，都没有发现白色粉状沉积物，表明过热器处蒸汽品质正常。但管子外部，都有被腐蚀的深色痕迹。其原因在于管子上存在有结灰层，这些结灰层中含有复合硫酸盐。在高温作用下，液态的复合硫酸盐对过热器管子金属产生了强烈的腐蚀作用：

2K₃Fe(SO₄)₃+Fe→3K₂SO₄+3FeS+6O₂

3FeS+5O₂→3SO₂+Fe₃O₄

腐蚀的产物是Fe₃O₄。

另外，过热器爆管后，影响邻近管内工质的正常流量，危及正常传热。喷到邻近管子上的蒸汽与高于400℃的铁接触时，还将产生下列反应：

4H₂O+3Fe→Fe₃O₄+8H

其产生的氢原子，如果不能很快被蒸汽流带走，则会造成氢致脆裂。因此为避免蒸汽吹刷和腐蚀，以及事故扩大，爆管后的锅炉应及早安排停炉检修。

此外，我们注意到这两次爆管发生在二级过热器下部弯管处较多，这或许与停炉腐蚀有关。作为立式过热器，停炉后下弯头积水处常常发生严重腐蚀，不仅在短期内使金属表面遭到大面积破坏，而且加剧投入运行后的腐蚀。由于用汽量的关系，我厂锅炉年平均运转率不到70%，相当长的时间处于停炉备用期，这期间通常采用满水保养法。满水保养法的腐蚀速度与水温、溶解氧含量、水的成份以及金属表面的清洁程度有关。更好的防腐措施值得研讨。

3 安全运行对策

锅炉爆管这一事故苗头的出现，给我们敲响了安全生产的警钟。我们应积极采取对策，避免爆管的再度发生。

3.1 尊重锅炉内在的运行规律，严格按操作标准作业，确保正常的运行参数。特别是要避免超负荷。

3.2 要按设计要求，满足锅炉运行条件。如提高在线监测、氧量计的准确性，严格执行炉顶及烟道吹灰器的定期工作制，确保锅炉煤质达标等。

3.3 加强对过热器的金属管理，如对管材做金相分析，定期测量壁厚，取样化验内外壁腐蚀成份等。■

[主要参考资料]

1. 章燕谋，锅炉与压力容器用钢，西安交通大学出版社，1989年。

2. 锅炉安装调试运行维护实用手册，地震出版社，1999年。

3. 中州铝厂热电厂B＆WB-130/3.82-M锅炉提产改造投标书，武汉锅炉技术开发中心，2000年3月。

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