【摘 要】鍋爐"四管"爆漏佔火力發電機組各類非計劃停運原因之首,嚴重影響火力發電廠安全、經濟運行。總結下電防"四管"泄漏管理經驗，對鍋爐"四管"爆漏原因進行分析並提出預防措施。
【關鍵詞】鍋爐"四管"爆漏、原因分析、預防措施。
所謂鍋爐"四管"是指鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器，傳統意義上的防止鍋爐四管泄漏，是指防止以上部位爐內金屬管子的泄漏。鍋爐四管涵蓋了鍋爐的全部受熱面，它們內部承受着工質的壓力和一些化學成分的作用，外部承受着高溫、侵蝕和磨損的環境，在水與火之間進行調和，是能量傳遞集中的所在，所以很容易發生失效和泄漏問題。據歷年不完全統計鍋爐"四管"爆漏佔火力發電機組各類非計劃停運原因之首。鍋爐一旦發生"四管"爆漏，增加非計劃停運損失，增大檢修工作量，有時還可能釀成事故，嚴重影響火力發電廠安全、經濟運行。引起鍋爐"四管"泄漏的原因較多，其中磨損、腐蝕、過熱、拉裂是導致四管泄漏的主要原因。總結下電防"四管"泄漏管理經驗及防磨防爆小組最近10年在下電、託電、盤電、張熱電、石熱等電廠的工作經驗，對鍋爐"四管"爆漏原因進行分析並提出預防措施。
一、鍋爐"四管"爆漏原因分析
1.磨損
煤粉鍋爐受熱面的飛灰磨損和機械磨損，是影響鍋爐長期安全運行的主要原因。飛灰磨損的機理是攜帶有灰粒和未完全燃燒燃料顆料的高速煙氣通過受熱面時，粒子對受熱面的每次撞擊都會梳離掉極微量的金屬，從而逐漸使受熱面管壁變薄，煙速越高灰粒對管壁的撞擊力就越大；煙氣攜帶的灰粒越多（飛灰濃度越大），撞擊的次數就越多，其結果都將加速受熱面的磨損。長時間受磨損而變薄的管壁，由於強度降低造成管子泄漏。受熱面飛灰磨損泄漏、爆管有明顯的宏觀特徵，管壁減薄，外表光滑。運行中發生嚴重泄漏時，可發現兩側煙溫偏差，不及時停爐處理，往往會加大泄漏範圍，並殃及其他受熱面的安全。2009年下電#3爐高溫省煤器發生磨損泄漏，首先發現一側煙溫明顯降低，給水和蒸汽流量偏差大，後停機發現省煤器管子磨損爆破。造成嚴重飛灰磨損的原因是結構因素，設計、安裝與檢修的不足都可能導致磨損加劇。在省煤器邊排管與爐牆之間、省煤器彎頭與爐牆之間、再熱器與兩側牆之間存在一個煙氣走廊。這個區域由於煙氣流動阻力小，局部煙速可增大到平均煙速的兩倍，甚至更大，造成這些地方管子磨損嚴重。位於煙氣走廊的省煤器、再熱器的彎頭，過熱器下彎頭及管卡附近的邊排管和穿牆管部位是飛灰磨損較爲嚴重的部位，特別在省煤器區，煙氣溫度已較低，灰粒變硬，磨損更爲突出。噴燃器、吹灰器和三次風噴嘴附近水冷壁等處也是煤粉磨損較爲嚴重的部位。在安裝、運行和檢修過程中，如果受熱而管子未固定牢或管卡受熱變形，管排就會發生振動並與管卡發生碰撞磨損，也要造成機械磨損而漏泄。預防磨損的方法主要是減小煙氣走廊，均勻氣流，受熱面管子迎風面加裝護鐵或塗耐磨塗料等。
2.腐蝕
鍋爐"四管"受熱面的腐蝕主要是管外的腐蝕和水品質不合格引起的管內化學腐蝕。當腐蝕嚴重時，可導致腐蝕爆管事故發生。煙氣對管壁的高溫腐蝕，主要是灰中的鹼金屬在高溫下昇華，與煙氣中的SO3生成複合硫酸鹽，在550-710℃範圍內呈液態凝結在管壁上，破壞管壁表面的氧化膜，即發生高溫腐蝕。導致受熱面高溫腐蝕的主要原因是爐內燃燒不良和煙氣動力場不合理，控制局部煙溫，保證管壁不超溫，防止低熔點腐蝕性化合物貼附在金屬表面上，使煙氣流程合理，儘量減少熱偏差是減輕高溫腐蝕的重要措施。水冷壁上如果產生結渣，在周圍處於一定溫度和還原性氣體條件下，會產生較爲嚴重的水冷壁管外腐蝕。水冷壁的高溫腐蝕和還原性氣體的存在有着密切的關係，CO濃度大的地方腐蝕就大。管壁溫度對腐蝕的影響也很大，在300～500℃範圍內，管壁外表面溫度每升高50℃，腐蝕程度則增加一倍。水冷壁高溫腐蝕部位多在熱負荷較高、管壁溫度較高的區域，如燃燒器附近。過熱器、再熱器區還原性氣體比爐內低，腐蝕速度一般比水冷壁小。但是大容量鍋爐的過熱器、再熱器的壁溫較高，尤其是左右兩側煙溫相差較大時，腐蝕現象也相當嚴重。在腐蝕溫度範圍內，除選用耐腐蝕的合金鋼和奧氏體鋼外，應控制爐膛出口煙溫的升高和煙溫偏差等因素，以免引起局部過高的壁溫而使腐蝕速度增大。低溫腐蝕是指硫酸蒸汽凝結在尾部受熱面上而發生的腐蝕，這種腐蝕也稱硫酸腐蝕。它一般出現在低溫級空氣預熱器的冷端。當帶有SO3的煙氣流經尾部受熱面時，當尾部受熱面的壁溫低於酸露點時水蒸氣在管壁上凝結成水，煙氣中的SO3氣體溶於水中，形成H2SO4溶液，從而腐蝕管壁金屬即爲低溫腐蝕。預防低溫腐蝕的方法最常用的方法是提高入口空氣溫度，保證尾部受熱面壁溫在酸露點以上，通常在燃用高硫燃料的鍋爐中加裝暖風器或採用熱風再循環，但是進風溫度越高，排煙溫度也會越高，排煙熱損失就越大，所以爲了保證鍋爐的經濟運行，排煙溫度的提高也就受到了限制。正常運行情況下，鍋爐並不會引起管內腐蝕與結垢。品質良好的給水中帶有少量雜質，通過爐水處理成爲水渣或膠狀物質，溶解在水中通過排污排出。當給水品質不良時，爐水中的Fe、Cu、Ca、Mg、SiO2等雜質在蒸發受熱面內被濃縮，並從鍋水中游離出來附着在管內表面，形成水垢，水垢的傳熱係數只有鋼管的1／200，影響傳熱，並使壁溫上升，導致管壁過熱鼓包或破裂。鍋爐受熱面在停用時與不合格水或溼空氣接觸，受空氣中O2、CO2和SO2的影響會產生管內化學腐蝕。在給水含氧超標時，也會使省煤器內壁產生點狀氧腐蝕。託電#5爐在2006年發生過因爐水不合格導致水冷壁管化學腐蝕管壁大面積鼓包事件，後被迫更換全部水冷壁受熱面。
3.過熱
過熱器和再熱器是鍋爐承壓受熱面中工質溫度和金屬溫度最高的部件，而汽側換熱效果又相對較差，所以過熱現象多出現在這兩個受熱面中。受熱面過熱後，管材金屬溫度超過允許使用的極限溫度，發生內部組織變化，降低了許用應力，管子在內壓力下產生塑性變形，使用壽命明顯減少，最後導致超溫爆破。因此，超溫導致過熱，使設備安全係數降低，應嚴格控制蒸汽溫度的上限。過熱分長期過熱和短期過熱，長期過熱是指管壁溫度長期處於設計溫度以上而低於材料的下臨界溫度，超溫幅度不大但時間較長，鍋爐管子發生碳化物球化，管壁氧化減薄，持久強度下降，蠕變速度加快，使管徑均勻脹粗，最後在管子的最薄弱部位導致脆裂的爆管現象。長期超溫爆管主要發生在高溫過熱器的外圈和高溫再熱器的向火面。低溫過熱器、低溫再熱器的向火面均可能發生長期超溫爆管。長期過熱爆管的破口形貌，具有蠕變斷裂的一般特性，管子破口呈脆性斷口特徵，爆口粗糙，邊緣爲不平整的鈍邊，爆口處管壁厚度減薄不多。短期過熱是指當管壁溫度超過材料的下臨界溫度時，材料強度明顯下降，在內壓力作用下，發生脹粗和爆管現象。短期過熱常發生在過熱器的向火面直接和火焰接觸及直接受輻射熱的受熱面管子上。
爆口塑性變形大，管徑有明顯脹粗，管壁減薄呈刀刃狀；一般情況下爆口較大呈喇叭狀；爆口呈典型的薄脣形爆破；爆口的微觀爲韌窩(斷口由許多凹坑構成)；爆口周圍管子材料的硬度顯著升高；爆口周圍內、外壁氧化皮的厚度，取決於短時超溫爆管前長時超溫的程度，長時超溫程度越嚴重，氧化皮越厚。如果存在爐膛高度設計偏低，火焰中心偏後、受熱面偏大、受熱面選材裕度不夠或錯用材料、動力工況差、蒸汽質量流速偏低和受熱面結構不合理等因素，都會造成受熱面超溫或存在較大的熱偏差及局部超溫；在製造、安裝和檢修中，如果出現管內異物堵塞而造成工質流動不暢、斷路、短路等情況，會導致受熱面的超溫；運行中如果出現燃燒控制不當、火焰後移、爐膛出口煙溫高或爐內熱負荷偏差大，燃燒不完全引起煙道二次燃燒，減溫水投停不當、管內結垢等情況，也會造成受熱面過熱。加強運行調整和監視，控制管壁超溫是預防過熱的主要措施。下電#2爐2005年鍋爐更換過熱器管後在機組啓動後發生爆管非停，後檢查發現管內堵塞異物導致管道過熱爆破。 4.焊接質量和拉裂
鍋爐本體是由受熱面焊接組裝起來的，每個受熱面的每一根管子都有多個焊口，一臺大型鍋爐整個受熱面焊口數量多的達幾萬個。而受熱面又是承受高溫高壓的設備，焊接缺陷主要有裂紋、未焊透、未熔合、咬邊、夾渣、氣孔等，這些缺陷存在於受熱面金屬基體中，使基體被割裂，產生應力集中現象。在介質內壓作用下微裂紋的尖端、未焊透、未熔合、咬邊、夾渣、氣孔等缺陷處的高應力逐漸使基杆開裂並發展成宏觀裂紋，最終貫穿受熱面管壁導致爆漏事故。焊接缺陷的產生原因很多，它與結構應力、坡口形式、母材、焊接材料、焊接參數、熱處理工藝和焊工技術水平等有關。保證焊接質量必須加強焊工管理及焊接工藝質量的檢驗評定。對鍋爐壓力容器焊接的焊工，應經考試合格持證施焊，實際施焊位置、管種、尺寸應和合格證所規定準許施焊項目相一致；要特別注意合金鋼、異種鋼的焊接，注重焊接準備、焊接、熱處理、焊後檢驗各個環節；加強金屬監督，防止錯用鋼材及焊接材料，特別是對有關焊口要全面進行金屬檢驗合格。
所謂"拉裂"是指在鍋爐經過多次起停後在管子-管子、管子-密封件、管子-剛性樑連接等部件之間由於熱膨冷縮不同步，位移不同步，又無足夠的補償能力的情況下管子產生的裂紋漏泄。這些部位爐外有保溫層，爐內往往又是管排密集，人員難以預先檢查發現，也很難裝設監測設備。避免管子和-管子如過熱器管排夾持管、定位管、屏間屏內焊接管等在設計上應考慮加裝"過渡板"，避免管子與管子直接接觸；管屏爐外部分，管子之間不必焊接，使管子有一定的補償能力，"過渡板"與管子間的連接焊縫，應不等強，即焊接高度應略低於管子壁厚。管子一密封件處的拉裂主要發生在過熱器、再熱器的穿牆管處，水冷壁、包牆管與鰭片連接末端等。這個問題主要應在設計階段和安裝期間解決，要把鍋爐的`支吊裝置，鍋爐膨脹死點、膨脹方向、膨脹量考慮清楚，要有自我補償能力。補償節是否適當，預留膨脹間隙及方向是否正確，穿牆後的爐外管段應有彎曲弧度，使之具有足夠的自我補償能力。如果發現爐頂過熱器管塌落或嚴重變形，應進行處理，恢復其支吊裝置，密封裝置。管子一剛性樑之間的拉裂，在現代大型鍋爐的爐膛及尾部都裝有剛性樑，剛性樑通過過渡部件與管子連接，剛性樑是鍋爐的重要部件，它確保鍋爐整體形狀及剛性，在鍋爐內爆或外爆時，保護鍋爐不受損傷。所以必須搞清楚鍋爐各個部位的剛性樑及鍋爐膨脹系統的設計構想，管子與剛性樑之間的膨脹"死點"及膨脹方向。管子與剛性樑之間的連接件應完好，不應有開裂，嚴重變形及卡阻現象；剛性架內側與管子之間的空隙要充填隔熱材料，以防剛性樑內側受熱產生彎曲變形，產生附加應力。"拉裂"引起的漏泄所佔比例較大，應認真檢查減少"拉裂"漏泄，預防拉裂主要是消除應力集中現象。張熱#2爐2009年檢修停爐後發現壁式再熱器管子泄漏，檢查發現壁再與密封板本應自由膨脹但電建安裝時焊接爲一體導致拉裂。下電#3爐2007年在噴燃器角部發生鍋爐啓動時鰭片拉裂水冷壁導致暴漏事件。
二、鍋爐"四管"爆漏預防措施
鍋爐"四管"泄漏的因素較多，必須針對不同的原因從運行和檢修以及管理等方面採取預防措施。
1、加強檢修管理，制定實施防磨計劃
至上而下提高認識，加強"四管"的檢查監督力度。防磨防爆人員要充分利用大、小修對四管進行宏觀檢查，堅持"逢停必檢"原則，掌握鍋爐"四管"金屬長期運行中的性能規律，發現和消除金屬事故的隱患。對高溫腐蝕、磨損、脹粗、鼓包、應力集中等情況加強檢查，發現問題及時徹底地處理。加強金屬監督和化學分析，對熱負荷較集中部分採取割管檢查和化學分析，對易結焦、易磨損、吹灰器易吹薄的部位進行側厚檢查，對過熱器、再熱器等易超溫的部位進行金相分析。加強四管附件的檢查，如防磨瓦、管排卡子和護體鐵，整理管排嚴防形成煙汽走廊。對檢修焊口做好無損探傷檢驗，把好焊接質量控制關。同時要提高檢修水平，針對設備老化進行受熱面更換等技術改造。
2、加強運行管理和爐水監督
運行人員要認真操作，按規程升降負荷。日常密切監視四管報警情況，嚴防受熱面"四管"超溫，加強對管壁溫度的監視，減少管壁超溫。燃料專業要加強入爐煤快速分析預報工作，爲運行人員精心操作、勤調整提供依據，便於運行人員及時調整一、二次風，合理調整風粉量和過剩空氣量，使煤粉在爐內充分燃燒。保證磨組在最佳狀態運行，嚴格控制煤粉細度減少設備磨損。認真進行燃燒調整，控制火焰中心不傾斜，嚴格控制各部件的參數，嚴禁超限運行，加強受熱面吹灰，防止局部結焦超溫。加強爐水監督，保證品質合格等。
三、結論
防止"四管"爆漏是一項綜合工程，應從運行、檢修、技術改進等方面加強監督、管理和檢查、綜合考慮。下花園發電廠歷來重視鍋爐"四管"泄漏的預防工作，成立了以生產廠長爲組長的鍋爐"四管"防磨防爆專項治理工作小組，定期對機組運行、檢修中暴露出的問題開展專題分析活動，超前謀劃和防範，修訂《防止"四管"爆漏管理規定》，制定切實可行的目標、技術措施，層層落實崗位責任制。運行人員根據煤質變化及時調整燃燒，控制合理風速，控制管壁超溫、加強設備運行監督和化學監督。檢修人員提高檢修質量和金屬監督力度。防磨防爆工作小組最近10年去託電、盤電、張熱電、石熱等電廠外出進行專項檢查，積累了豐富的大機組檢查經驗，並應用到下電的防磨防爆檢查工作中，堅持集團公司"逢停必檢"方針，儘可能地擴大檢查範圍，加強對隱蔽部位的檢查，發現了許多問題並及時處理，大大地減少了鍋爐非停，保證了發電廠的安全穩定運行。
參考文獻：
1、程紹兵等《大容量鍋爐高溫受熱面超溫失效原因及對策》廣東電力,2004年1月
2、範從振《鍋爐原理》水利電力出版社1986年5月第一版
3、黃劍弈《淺析鍋爐四管泄漏和爆破的原因》廣東電力研究所