循環(huán)流化床鍋爐水冷壁與水冷屏頻繁爆管的分析及修復(fù)

該循環(huán)流化床鍋爐(SG-350/9.8-M1301)采用支吊結(jié)合的固定方式，鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為9m。鍋爐采用單鍋筒自然循環(huán)、集中下降管、平衡通風(fēng)、水冷式旋風(fēng)分離器、循環(huán)流化燃燒方式，后煙井內(nèi)布置有省煤器，過熱器等，爐膛底部設(shè)有鋼板式一次風(fēng)室，懸掛在爐膛水冷壁下集箱上。

本體爐膛中，爐前墻均勻地布置有4個給煤口和4個污泥加入口，并預(yù)留6個石灰石加入口，在爐膛后墻中下部還設(shè)有2個沼氣噴槍。鍋爐燃燒啟動釆用床上點(diǎn)火方式，床上共布置4支(爐膛左、右側(cè)墻各2支)大功率的點(diǎn)火油槍。

鍋爐運(yùn)行與爆管情況

該鍋爐在2011年12月底投入運(yùn)行，2015年5月，鍋爐在大修期間發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器有漏風(fēng)，但由于漏風(fēng)量不大，未進(jìn)行處理，運(yùn)行一段時間后，漏風(fēng)加重，兩臺引風(fēng)機(jī)同時處于最大出力時，仍不能維持鍋爐正常負(fù)壓，故而降負(fù)荷(降至240t/h)、降壓(5~8MPa)運(yùn)行，該狀態(tài)運(yùn)行持續(xù)約一年時間。

第一次爆管。2016年11月9日，南側(cè)第二屏水冷屏，位于圖1中4#敷設(shè)耐火材料銷釘管的水平段爆管。更換相應(yīng)管段并進(jìn)行水壓試驗，當(dāng)試驗壓力達(dá)到6.5MPa時，南側(cè)第一屏8#銷釘管的水平段和南側(cè)第一屏垂直段均存在泄漏。對應(yīng)換管修復(fù)后，于2016年11月14日投入運(yùn)行。

第二次爆管。2016年12月3日，北側(cè)第一屏水冷屏位于垂直管處爆管，修補(bǔ)后進(jìn)行水壓試驗時，該屏在29#敷設(shè)耐火材料銷釘管的水平段又發(fā)現(xiàn)泄漏。經(jīng)過多次“換管-試壓-換管-試壓”修復(fù)后，于2016年12月9日投入運(yùn)行。

爆管維修期間，曾邀請美國福斯特惠勒(FW)新會制造廠(廣東江門)直屬的安裝維修公司技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行診斷、分析。認(rèn)為是受熱面管子(SA210C)材質(zhì)抗磨性差，換管修復(fù)后，并對所有水冷屏的管子進(jìn)行了抗磨噴涂處理。同時，使用單位把前兩次的爆管及處理情況報到鍋爐原制造廠家。

第三次爆管。2017年1月6日，南側(cè)第一屏水冷屏在敷設(shè)耐火材料銷釘管的水平段位置，同時發(fā)生了多條管子爆管，并且在爐膛內(nèi)左、右兩側(cè)墻密相區(qū)位置又發(fā)生多處泄漏。經(jīng)換管修復(fù)后，于2017年1月12日投入運(yùn)行。

爆管后，使用單位立即反映到鍋爐原制造廠家，邀請制造商派出技術(shù)人員趕到現(xiàn)場進(jìn)行分析處理;并截取了幾段水冷壁與水冷屏受熱面管子(SA210C)樣品，帶回制造廠進(jìn)行爆管分析。分析結(jié)果認(rèn)為：

1)樣管基體的化學(xué)成分及金相組織正常;開裂處附近存在大量的沿晶微裂紋，且裂紋空洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)含Ca的異物，呈現(xiàn)出氫腐蝕特征;氫腐蝕一般與垢下腐蝕相伴發(fā)生。

2)建議檢查鍋爐去離子水中離子是否超標(biāo)，對結(jié)垢的管子進(jìn)行酸洗，對已發(fā)生氫腐蝕的管子予以更換。

第四次爆管。2017年1月19日，南側(cè)第一屏垂直段發(fā)生多處嚴(yán)重爆管，被迫緊急停爐，鍋爐提前進(jìn)行大修。

以上4次重大爆管期間，還伴存有水冷屏泄漏2次，爐膛內(nèi)左、右側(cè)墻衛(wèi)燃帶各泄漏1次。

第四次爆管維修期間，使用單位邀請廣東省特種設(shè)備檢測研究院等數(shù)家單位的技術(shù)入員集中到現(xiàn)場進(jìn)行會診、綜合分析，最終一致同意釆納了廣東省特種設(shè)備檢測研究院提出的“空泡應(yīng)力腐蝕”理論141，并按此理論觀點(diǎn)制訂了對應(yīng)的處理方案。

爆管原因分析

2017年1月19日停爐大修后，對水冷屏及水冷壁的下聯(lián)箱檢查，均未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢沉積物，但發(fā)現(xiàn)大量疑似從管材內(nèi)壁脫落的塊狀物?？v向剖開的取樣管子，管壁內(nèi)存在腐蝕凹坑、溝槽及即將脫落不規(guī)則塊狀物，如圖2、圖3所示。“溝槽”由若干個腐蝕凹坑連成曲線而非呈直線，且“溝槽”邊緣呈不規(guī)則形狀，并且腐蝕凹坑、溝槽往往發(fā)生在容易產(chǎn)生汽停滯和汽塞的部位。

3.1管內(nèi)腐蝕凹坑、溝槽及脫落塊狀物形成機(jī)理分析由圖2發(fā)現(xiàn)，該管內(nèi)腐蝕凹坑、溝槽形貌(粗糙)規(guī)律與普通沖刷溝槽磨損(光滑坑)機(jī)理存在很大區(qū)別。

通過對積聚于集箱內(nèi)塊狀物和水冷屏管內(nèi)壁母材分別進(jìn)行金相比對分析，驗證了塊狀物是水冷屏及水冷壁的管子內(nèi)壁母材脫落的產(chǎn)物。

爆管位置主要集中在銷釘段與翅片段位置。一方面，該350t/h鍋爐配套的發(fā)電機(jī)組僅為6MW，且常降壓降負(fù)荷運(yùn)行，在自然循環(huán)欠佳及壓力波動下，更易產(chǎn)生微小汽泡，并常常在水冷屏水平斜段內(nèi)積聚和瞬間會合成另一個較大的汽泡。另一方面，由于銷釘與翅片存在，該位置管段升溫迅速，導(dǎo)致此處的對應(yīng)管內(nèi)的水迅速汽化，且該處溫差較大，加速了汽泡的形成。汽泡增大后就發(fā)生爆破，從而產(chǎn)生空泡應(yīng)力腐蝕，持久下去便生成腐蝕凹坑、溝槽及塊狀脫落物。

3.2爐膛內(nèi)受熱面管子受熱不均

銷釘與翅片處對應(yīng)的管段內(nèi)汽、水共存，此處的比熱容與其他受熱面管子相比，存在較大的差別，同時此處在汽、水?dāng)_動的作用下，易產(chǎn)生流體的脈動，使管內(nèi)易產(chǎn)生汽泡(泡狀流型)。隨著泡狀汽泡的增大，直至泡狀汽泡的爆破為止，爆破對應(yīng)處便產(chǎn)生空泡應(yīng)力腐蝕;從而在銷釘或翅片對應(yīng)的管壁內(nèi)就易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，形成腐蝕凹坑。

隨著管內(nèi)含汽率的增大，管內(nèi)流體由泡狀流型聚合、形成彈狀流型，并在溫差的持續(xù)作用下，彈狀流型進(jìn)一步聚合、形成為柱狀流型。特別是在水冷屏水平傾斜段，柱狀流型的汽空穴緊貼于管內(nèi)圓弧頂面區(qū)域，空穴形成了汽停滯與汽塞，容易匯聚形成更大能量的汽泡，直至汽泡爆破。從而此處對應(yīng)的管壁內(nèi)圓弧頂面區(qū)域就產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，形成邊緣凸凹不平、呈曲線而非直線的腐蝕溝槽。這直接驗證了爆管泄漏常常發(fā)生在水冷屏水平傾斜段。

3.3管內(nèi)塊狀脫落物(增加流動阻力)

塊狀脫落物掛靠于管內(nèi)或匯聚于下聯(lián)箱內(nèi)，形成局部懸浮循環(huán)，縮小流通截面，增加了管內(nèi)流動阻力，造成局部管段水循環(huán)惡化，管子局部過熱。

3.4爐內(nèi)燃燒不均

根據(jù)現(xiàn)場爆管情況與獲取的有關(guān)參數(shù)，采用數(shù)值模擬的方式，對爐膛內(nèi)部燃燒情況進(jìn)行了模擬分析。

爐膛內(nèi)燃料燃燒分布不均勻，前墻高，后墻低。前墻管段相對于后墻管段來說：燃料集中，升溫較快，形成前、后墻管段溫差大。從而造成匯集進(jìn)入水冷屏的汽水溫差大，使管內(nèi)易產(chǎn)生汽泡。這也直接驗證了爆管泄漏常常發(fā)生在掛于前墻的水冷屏。

3.5水自然循環(huán)惡化

銷釘與翅片的根部對應(yīng)管內(nèi)位置，易產(chǎn)生傳熱的極微小汽泡，并往管子橫截面中心方向橫向移動，該汽泡橫移會阻礙管子內(nèi)水循環(huán)沿管子縱向移動的能力。

另外，水冷屏水平段傾角較小，造成此處水循環(huán)能力嚴(yán)重不足。該管段內(nèi)極容易聚集來自前、后墻水冷壁汽水帶來的微小汽泡，從而在此提供匯合、形成較大汽泡的“溫床”;汽泡爆破就產(chǎn)生空泡應(yīng)力腐蝕。

該循環(huán)流化床鍋爐出現(xiàn)空泡應(yīng)力腐蝕的主要原因是：該鍋爐長期處于降負(fù)荷、變壓力運(yùn)行;鍋爐自然循環(huán)能力較差，特別是水冷屏水平傾斜段受熱面的水平夾角偏小，不利于汽、水循環(huán)，更容易導(dǎo)致圓弧頂面積聚大量汽泡，在空泡應(yīng)力的長期腐蝕作用下，產(chǎn)生腐蝕凹坑與溝槽，致成常常在該處發(fā)生爆管。另外，銷釘與翅片處的水冷壁與水冷屏，管內(nèi)也容易產(chǎn)生空泡應(yīng)力腐蝕凹坑而爆管。

此外，水冷屏與水冷壁下集箱內(nèi)的塊狀脫落物是空泡應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)物，不符合氫腐蝕與垢下腐蝕產(chǎn)生的條件與機(jī)理。

修復(fù)措施

4.1水循環(huán)優(yōu)化

1)爐膛標(biāo)高18m以下的水冷壁采用內(nèi)螺紋“擾流”管替換銷釘管與翅片管，使該區(qū)域的管內(nèi)汽、水充分混合，由泡狀流型變?yōu)橐红F狀流型，克服流體介質(zhì)的擾動而產(chǎn)生的脈動汽泡，避免進(jìn)入水冷屏的汽水混合物中帶汽泡。

2)水冷屏水平段傾角由5°調(diào)整至60°以上，避免管內(nèi)因水、汽相對流動而產(chǎn)生泡狀汽泡、聚集成彈狀汽泡及匯合成柱狀汽泡。

4.2爐內(nèi)燃燒調(diào)整

調(diào)配風(fēng)量與燃料量的比例，使燃料整體燃燒分布均勻，受熱面管子均勻受熱。

4.3運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)

避免長期低負(fù)荷運(yùn)行，使蒸發(fā)量應(yīng)接近設(shè)計值;并保證運(yùn)行時壓力穩(wěn)定，減少或避免壓力波動過大現(xiàn)象。

4.4提高管材強(qiáng)度

更換的管段應(yīng)提高管材的強(qiáng)度，不易產(chǎn)生塑性形變和硬化，避免應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生。

結(jié)論

該循環(huán)流化床鍋爐水冷壁與水冷屏發(fā)生頻繁爆管的主要原因是熱力、幾何、水循環(huán)以及實(shí)際使用情況等因素耦合造成的，應(yīng)從多角度考慮綜合整改，達(dá)到治標(biāo)又治本的修復(fù)效果。