燃煤锅炉爆管的原因分析

张家滨 程远轮 吴玉喜 

兰州石化公司公用工程二部动力锅炉区域  甘肃兰州  730060

【摘要】 根据锅炉燃烧对炉管事故案例进行统计分析为基础，将引起锅炉燃烧爆管的原因归纳为腐蚀、磨损和焊接缺陷，对产生事故的机理和主要原因进行了探讨和归类，认为燃烧不好造成烟气量大是使磨损造成锅炉爆管的最重要方面，分析并提出了检修和运行管理过程中对燃烧调整不好爆管风险贡献最大的各种因素及其成因。针对造成爆管的原因提出了对策措施，为锅炉的安全运行和合理的检修提供了科学的依据。

【关键词】 锅炉炉管；燃烧调整；脱销调整；氨水腐蚀；爆管；原因；对策

1  概述

兰州石化公司C锅炉装置采用上海锅炉厂设计的单锅筒高压自然循环锅炉，于1999年3月建成投用。单炉设计产汽能力220吨/小时，产出的9.81MPa（G）、540℃的过热蒸汽，一部分供汽轮发电机发电，一部分经各减温减压装置减温、减压为不同温度和压力等级的蒸汽供大乙烯装置、苯胺装置、石油化工厂等单位使用，并通过母联阀和A/B锅炉主蒸汽管道相连已运行十年。期间经过几次大检修，对部分设备进行更新和检修。2009年7月22日C锅炉炉管爆管，停车检查发现省煤器引出管被冲刷破裂，大量给水泄漏。自从这次爆管后，C锅炉从2009年10月至2018年3月锅炉共爆管9次，每次爆管都是在迎风面。

当承压受热面的工况条件与设计工况偏离时，就容易造成锅炉爆管，过热器是锅炉中工作条件最苛刻的承压受热部件，也是在实际运行中发生爆管事故最多的部件，锅炉炉管爆管造成锅炉非正常的停炉，严重影响化肥，大乙烯、发电机组等装置的正常生产，对锅炉设备的危害很大，一次爆管停炉抢修，损失非常之大。基于锅炉爆管事故严重威胁锅炉装置的安全稳定运行，经过对七次锅炉爆管事故进行统计分析，找出锅炉爆管的原因，提出预防锅炉爆管的对策措施，为锅炉的安全运行提供依据。

2  爆管现象

爆管管段处内外表面均有较厚黑色腐蚀产物，由于长期受到管外高温烟气冲刷，管段外表面沿轴向约50mm弧长范围内有大量金属脱落，呈粗糙颗粒状，并分布有大量轴向裂纹，呈直线状平行排列，开裂部位沿轴向呈梭形位于该范围中央，裂口长约50mm，最宽处约7mm，开裂部位发现明显鼓胀，鼓胀高度最大约8mm，开裂部位管壁减薄，宏观断口无金属光泽，外观呈现超温爆管特征；管段外表面烟气冲刷范围对应的内表面范围较光滑，也分布有大量轴向裂纹，深度较浅；开裂直管段受高温烟气冲刷范围内壁厚减薄，实测最小壁厚为2.8mm；裂纹呈直线状扩展，并伴有二次裂纹产生；裂纹靠近管段外表面边沿发生较严重氧化脱碳现象；径向截面未开裂区域内大量碳化物高度弥散于晶内及晶界，并聚集长大，组织出现珠光体球化和石墨化黑色空洞，裂纹附近管材已发生严重石墨化现象。

综述：通过对来样综合检查分析，C锅炉炉管开裂部位呈现碳钢在长期超温运行环境下，外表面局部氧化脱碳，组织呈现严重球化和石墨化特征，从而导致材料损伤失效。

 2.1受烟气冲刷面状况及开裂部位：

2.2未受烟气冲刷面状况：

2.3开裂部位状况：

3.爆管原因分析

结合锅炉爆管现象分析，造成爆管的原因可分为磨损、腐蚀和焊接缺陷。

3．1焊接缺陷

锅炉焊接缺陷一般指焊接接头裂纹、未熔合、根部未焊透、气孔、夹渣、咬边、焊缝外形尺寸不合格以及焊接接头的金属组织异常等，焊接缺陷造成行中应力集中，尤其是焊接裂纹扩展，异种钢材的焊接处理不当也容易在运行中出现爆管事故。

3．2氧化腐蚀

氧化皮脱落，锅炉在长期运行中，管内在高温蒸汽的作用下发生氧化锈蚀，形成氧化层，这是由于汽水分离装置不良，造成蒸汽带水严重，使炉管结垢，妨碍管壁的传热加上蒸汽流通不畅使得过热器管壁温度过高而发生了汽水腐蚀：当过热蒸汽温度超过450℃时，

3Fe + 4O ===  +4↑

超过570℃时：

Fe + O === FeO+↑

FeO的形成使Fe的氧化速度急剧增加氧化皮迅速增厚，使管壁减薄，壁温升高，使用强度下降；在锅炉的启动过程中，氧化皮脱落沉积在管子底部弯头处，若未及时清除，易造成过热器爆管。

3．3烟气磨损

    受热面管壁的磨损速度与飞灰量、灰的磨损性、灰粒速度和烟气温度有关既：

式中，为受热面管壁的磨损速度，nm/h，为灰的磨损参数，与灰中的含碳量有关；V为烟气的流速，假定烟气的流速与灰粒的流速相同，m/s；为烟气温度，K。

由上式可知，随烟气速度的提高，灰粒对受热面管壁的磨损速度与其速度的3.3次方成正比；当温度降低时，灰粒硬度增加，磨损加剧。

对于顺序布置的管排，第1排管子灰粒碰撞几率比第2排要大得多，在同一颗粒尺寸下，速度大时颗粒与管壁的碰撞几率也较大；锅炉燃料燃烧时产生的烟气中带有大量的灰粒，灰粒随烟气冲刷受热面管子时，因灰粒的冲击和切削作用对受热面管子产生磨损，就C炉而言，由于烟气流进过热器前空间大，进入过热器时空间变小，从而使烟气的流速增大，对过热器前排的冲刷增强，所以前排容易爆管。在燃用发热量低而灰分高的燃料时更为严重，当燃用还有一定量硫、钠和钾等化合物的燃料时，在550～700℃的金属管壁上还会发生高温腐蚀，导致受热面磨损和高温腐蚀的主要原因是炉内燃烧不良、烟气动力场不合理、局部烟速过高、煤粉质量差等因素。当管壁受磨损减薄到一定程度时，在内压的作用下管子发生爆破。

3．4锅炉负荷多变

C炉产出的过热蒸汽一部分供汽轮发电机发电，一部分经各减温减压装置减温、减压为不同温度和压力等级的蒸汽供大乙烯装置、苯胺装置、石油化工厂等单位使用，并通过母联阀和A/B锅炉主蒸汽管道相连，锅炉在实际运行中，因汽轮机负荷变动、蒸汽管网波动、干气压力的波动导致锅炉频繁的调整负荷，因锅炉升负荷速率过快，炉内投放量过剩都会引起炉膛出口烟气温度升高，导致炉管金属壁面超温爆管。

3．5蒸汽品质不良，引起管内结垢严重

蒸汽品质长期不合格引起管内结垢，影响蒸汽对金属壁面的冷却而超温，当有1mm水垢存在时，炉管外壁的温度比没有水垢存在时温度可高27℃，极易造成管壁超温，管内结垢会造成管子胀粗变薄，可能产生微小的裂纹，积累到一定的程度便发生爆管。引起蒸汽不良的原因主要是锅炉水质不佳，汽包水位过高，蒸汽带水等。

3．6锅炉运行的影响

3．6．1热偏差：

由于结构和运行条件的影响，运行中某些管子的蒸汽温度和焓增量灰超过整个管组的平均值，即热偏差产生热偏差的管子，管内蒸汽温度较高，甚至远超过了金属的管壁温度，从而造成长期严重超温。形成热偏差的原因：过热器受热不均，热负荷大的管子，吸热量则大，焓增量也大，其蒸汽温度和管壁温度也较高，受热产生热偏差，另外烟气中温度场和速度场分布不均匀性等，也会产生影响。

3．6．2影响气温的因素：

风量配比变化对气温的影响。炉内的过剩空气量增加时，由于低温空气吸热，使炉膛温度降低，辐射传热减弱，燃烧生成的烟气是增量，烟气流速加快对流传热增加，因而气温升高，另外由于配风工况的不同，使火焰中心发生偏斜，容易结焦，使管壁局部温度升高。易发生爆管。

3．7、煤种的差异

当实际采用煤种偏离设计煤种时，燃料中含有硫、钒、钾、钠等有害元素，在过热器烟气侧产生高温腐蚀，使管子变薄，应力增大，导致爆管。

4.结论

造成锅炉爆管的原因很多，通过对锅炉爆管的原因分析，可以得出以下的结论。

（1）通过提高磨煤机和旋风分离器的转速、减小一次风量等方法来减小煤粉的细度，保证燃烧完全，减少飞灰撞击管子。煤运岗位要确保燃煤的质量，尽可能符合锅炉的设计煤种，为稳定燃烧提供物质基础，操作人员应勤联系煤运岗位了解近期锅炉煤质的情况，及时做好锅炉燃烧调整，保证较佳的过剩空气系数，以防管子磨损，应加强燃料的管理工作，提高燃煤质量，严格控制高硫煤、高灰分煤，采用优质煤合理掺配劣质煤燃烧的方法，避免过热器管发生高温腐蚀，严重磨损等问题。