燃气电站锅炉水冷壁爆管失效原因分析

陈建建

青岛华丰伟业电力科技工程有限公司    山东  青岛  266100

摘要：某一自备燃气电站锅炉机组在另一台50MW大型燃煤机组影响下在运行连续超过48h计时区间内曾有连续或者第3次事故发生造成锅炉水冷壁防爆管失效。对水冷壁爆口组织的显微宏观和形貌结构变化过程进行系统地做进行了显微分析，采用光学显微镜技术直接的对冷壁爆口边缘结构及其附近的区域组织等进行了做进行了显微金相结构的分析，利用高精密的布氏硬度计分别对壁爆口表面结构及周围各断面结构等进行了做进行了微观硬度成分的显微分析，用光谱仪对等结构进行了做进行了微观强度成分的分析。

关键词：电站锅炉设备；危险易生爆器管道设备；电站锅炉设备失效；水冷壁

水冷壁作为燃煤锅炉的主要气体蒸发或加热面之一，从火焰烟气或高温烟气中吸收烟气热量，蒸发和加热炉管中的水，形成固体水混合物。基本参数由于锅炉水冷壁受恶劣复杂的环境运行条件影响，如果锅炉发生手动操作控制不当、排放水质检测不合格等事故，很容易导致锅炉水冷壁过热爆裂，严重影响整个锅炉的整体健康、安全和高效运行。

1爆管状况

锅炉水壁板（规格：Φ60×5mm，材质20g）连续三次爆管，三次两次爆管间隔时间远小于48h。一般来说，爆管事故的发生地点集中在锅炉上燃烧器上方1m左右的锅炉高负荷工作区，爆管位置燃烧器下方也有许多带孔和焊接孔的接头。前两次爆破的中心位于锅炉左侧，左前墙和右前墙之间的中间。两个高炉也是两个相邻的平行炉管。第二次鼓风的位置距离炉管左上侧约10cm，与第一次鼓风的中心略有偏差。第三次爆炸的位置也在锅炉后面右下壁之间的中间。爆管边缘和炉管内壁相对光滑，火侧表面可见少量零星硬垢颗粒。

1.1第1、第2次爆口形貌

两次试验得到的管内弹坑形态一致，呈“鱼嘴状开口”，弹坑边缘轴线与管轴向平行，弹坑为塑性变形。首次没有出现明显的爆管边缘变薄变形情况，管口边缘也处于钝边变形状态。这是第二次，在管弧坑处没有边缘变形，并且变薄明显。两个完整管坑处管边缘延伸方向截面无明显宏观轴向裂纹；完整管道爆破边缘附近的一根完整管道的截面未展开。整体形态接近短期过热。

1.2第3次爆管爆口形貌

爆破口处的轴向明显平行于或高于管道的轴向；弹坑处的塑性变形现象明显，弹坑边缘的明显减薄变形也明显。火山口边缘呈明显的唇状变薄变形；环形山附近可见宏观轴向裂纹；总体形态特征也应与短期爆炸过热区的形态特征基本一致。

2爆管原因分析

2.1锅炉资料审查分析

锅炉自投运以来已稳定运行42000多小时。水冷壁上从未发生过爆管，因此水冷壁箍从未维修或更换过。根据锅炉的检查和试验记录，发现锅炉以前曾发生过二次冷凝器泄漏和燃烧事故。内部化学检查结果表明，锅炉水冷壁管内箍表面残留大量约1mm的白色氧化皮。鉴于内部化学检查结果，锅炉已清洁。查阅了多年来锅炉的正常运行状态记录，发现历年来该台锅炉负荷不仅可以长期平稳保持每天60%的左右正常负荷平稳运行，而且负荷频繁波动同时负荷的波动变化幅度又较大。查阅历年该台锅炉负荷运行情况记录还发现了该台锅炉发生爆管火灾前长的近一段时间锅炉燃料供给中的高炉煤气与转炉煤气负荷之配比的变化比例较大，转炉煤气的投入负荷比例加大。

2.2国统内表面宏观状况

打开汽包两侧人孔标记，对汽包内壁进行内部宏观检查，发现汽包内外表面底部无明显硬垢形成和过氧化物腐蚀，汽包及其他内部部件检查正常，旋风分离器筒体内外表面无结垢沉淀和残留腐蚀性物质，筒体内壁、外表面和底部无堆积、局部破碎和硬垢。

2.3水冷壁下集箱内部宏观检验

水冷壁下集箱的12个手孔全部打开，并随机抽取下集箱的以下内壁进行最后一次内部检查、取样和宏观检查。发现各集管内壁未发现含有一定量水的白色水垢。鳞片的晶体形状略小，呈片状，软硬相间。水垢表面颜色多为浅棕黑色，水垢断面多为白色，大部分水垢结晶部分分散堆积在上述集管壁左右两端。内窥镜检验完毕后发现密集箱顶部及箱体附近的水冷壁以及内部冷却水管路系统均密封完整并无发现管道有堵塞之情况且密集水箱壳体内水的管道表面均基本完整没有明显发现有水垢形成或者混有或是其它表面少量有沉积物。

2.4水冷壁壁厚测定

测量了爆破位置水冷壁和附近高度水冷壁的相对厚度。研究发现，爆管位置和爆管位置附近高度处的水冷壁总厚度没有明显减小，爆管高度及其附近高度处的水冷壁厚度与附近高度处的水冷壁厚度相同时，一般不会明显减小。在与其他三个水冷壁几乎相同的宽度和高度的基础上，重新测量壁厚试验后发现，三个水冷壁的壁厚结构几乎没有出现任何或明显的变薄。

2.5金相分析

第三次对爆破孔附近部位、爆破孔附近部位及其周围组织老化和远离爆破孔的组织进行了金相分析和检测。结果表明，爆破孔附近部位、爆破孔附近组织及其周围组织的老化等级均为4级中等球化，远离爆破孔的组织的老化等级也为3级中等球化。现场爆破管水冷壁钢筋除进行二次金相检验和取样外，还同时将从前、后、左、右等四面上的一根水冷壁管身上各段分别现场抽取下了共计12根钢筋并进行取样做进行了最后一次的金相探伤检测，取样点高度设定在了与爆管上的水冷壁爆口高度为基本高度一致范围的且所抽取钢筋部位热压负荷温度为较高范围的区域。对抽检企业检验批次中48根锅炉水冷壁金相线材的检验检测结果进行了再次全面抽样汇总。经检查分析，除一根盘条的老化试验等级为严重3.5级中等球化，三根盘条的老化试验等级为轻度2级中等球化外，其余批次的盘条老化试验等级也为中度3级和轻度定向球化。普查试验研究结果亦可表明该厂锅炉水冷壁材质整体性能未发生存在或任何的轻度方向性和劣化性变质腐蚀现象。对比与使用寿命同额定功率条件下使用同电压运行周期相同寿命时间参数锅炉的世界范围其他燃煤电站锅炉，该系列型号锅炉水冷壁层中的材料层老化的严重程度则更加偏重，可能将直接会导致锅炉其内部水冷壁材料层之间的相对耐压强度变得明显而降低，在与寿命周期相同寿命时间相同的额定负荷条件作用情况下也会相对更容易地导致发生爆管。

3结语

（1） 由于系统锅炉负荷水平波动系数太大，无法连续长期运行，且整个系统负荷水平的负荷变化速度快，锅炉系统水冷壁可能长期承受整个系统锅炉的长期工作压力负荷变化和长期工作温度负荷的频繁波动，因此，系统的锅炉水冷壁可能长期承受高温或疲劳冲击载荷，直接导致其在薄弱部位爆裂。（2） 在严重过热和爆管的地方，水冷壁管周围介质中沉积有少量水垢，水垢处沉积的大部分液体的导热系数远小于流经水冷壁管的介质在整个位置的总平均导热系数。结垢还会导致整个管道水冷壁处大部分流体的换热、冷却和散热效果较差，特别是在高温、重载的区域，水冷壁管道中的大量固体汽水混合物不能直接带走流经整个管道位置的流体中的任何部分热量，导致局部管道或管道过热损坏和管道爆炸。

参考文献

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