淺析鍋爐水冷壁泄漏的成因及應對措施

張乾

(藍星工程有限公司，北京 100143)

0 引言

在鍋爐及輔機設備的各類事故中，鍋爐損壞、爆管等事故最為普遍的，尤其在燃煤電廠中，鍋爐爆管更是較為常見的事故，占到整體事故的70% 左右。水冷壁爆管又在各種爆管總和中占比高達80%。一旦發生爆管，大量的汽水混合物外噴破壞鍋爐的穩定運行工況，引起水位劇烈波動，還將影響鍋爐燃燒環境，嚴重時甚至會造成鍋爐滅火。大多爆管事故需要停爐后方可處理，對企業造成非計劃停機，每一次非停造成的損失都在幾十萬元上下，嚴重時可能還會威脅到人身安全，所以對鍋爐爆管事故的重視，是工廠及電廠安全管理中最重要的一環。針對這個問題，電廠必須要將其作為重點深入分析原因并積極研究和制定有效的控制措施，從而保障鍋爐能夠安全運行。

1 鍋爐爆管的故障

鍋管事故主要爐爆是以省煤器、水冷壁、過熱器和再熱器四管為主。山西某發電廠有限公司2X600 MW 燃煤發電機組，型號為SG-2027/25.4 M970，鍋爐為超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐。據統計，在該電廠鍋爐泄漏的全部事故中，水冷壁泄漏大概占到所有泄漏事故的80% 左右，此問題對電廠安全生產以及鍋爐的正常運行造成嚴重的困擾。為減少鍋爐水冷壁泄漏事故率的發生，需要從多方面入手來分析水冷壁泄漏的成因。下面針對常見的幾種導致鍋爐水冷壁泄漏的成因進行分析研究，從而有效保證電廠的安全穩定運行。

2 導致爆管的主要原因

2.1 鍋爐給水品質不良，水冷壁管結垢并超溫爆破

含有較多鈣(Ca) 鎂(Mg) 鹽類等礦物質的水叫做" 硬水"。除掉全部或大部分鈣、鎂離子的水叫軟化水。蒸汽鍋爐對鍋外給水硬度要求一般是小于等于0.03 mmol/L。給水在鍋爐中多次蒸發，原先溶解于水的碳酸氫鈣(Ca(HCO3)2) 和碳酸氫鎂(Mg(HCO3)2)，在沸騰的水里分解，放出二氧化碳(CO2)，生成難溶解的碳酸鈣(CaCO3) 和氫氧化鎂(Mg(OH)2)，有時也會生成MgCO3?；瘜W式為：

隨著時間慢慢增長這些難溶鹽濃度達到一定溫度下的飽和極限，形成以鈣、鎂離子為主的難溶化合物便從水中析出在水冷壁管內壁上形成絮狀白色雜質。水冷壁中的雜質濃度慢慢增加，水溶液中就會產生白色固態沉淀物( 一般是晶體)，如果沉淀物不粘結在受熱面上而懸浮在水中，則稱為渣滓或沉渣。如果沉淀物的結晶過程是在受熱面上進行的，水中含有碳酸鹽、膠體、細菌和有機物等雜質時，碳酸鹽類相當于混凝土中的沙石，而膠體、細菌和有機物等則相當于水泥，當水中膠體、細菌和有機物等粘性物質和碳酸鹽共同作用，在高溫條件下則形成硬垢，并且堅實地粘結在受熱面上，則稱為水垢。水垢通常膠結于水冷壁管道內表面。鍋爐里結了水垢，垢的導熱系數比鋼小得很多，一般相差兩個數量級。即使水垢的厚度很小，也會影響金屬傳熱，金屬因得不到及時冷卻溫度將超過允許工作溫度，導致超溫爆管。再者水垢就像是隔在鋼管和汽水之間的一道石墻。鍋爐鋼管和水不能直接接觸，爐膛的強烈火焰把鋼管燒得通紅，降低了鋼管的強度。這時候，如果水垢出現裂縫，水立即滲漏到高溫的鋼管上，急劇蒸發，造成鍋爐管內壓力猛增，就會引起水冷壁管鼓包或爆管事故。水垢導熱性很差，受熱面的傳熱效果降低，燃料燃燒放出的熱量不能有效地傳遞到給水中，會導致受熱面傳熱情況惡化，不僅會造成排煙溫度上升排煙熱損失增大，降低了鍋爐熱效率，還會由于熱脹冷縮和受力不均，造成鍋爐受熱面損壞，極大的增加鍋爐爆裂甚至爆炸的危險性。

2.2 水冷壁磨損，壁厚變薄，鋼管強度減小導致爆裂

磨損常發生在燃燒器出口、爐膛出口和觀察孔等水冷壁管處，山西某電廠4#爐水冷壁磨損狀況見表1。

表1 山西某電廠#4 爐水冷壁管壁厚檢查記錄

造成鍋爐管道磨損主要是由于灰粒、煤粉氣流、漏風或吹灰器工作不正常時發生的流體沖刷及直流燃燒器切圓偏斜導致的。水冷壁管磨損成因分析如下：

（1）鍋爐燃燒使用的煤粉質量不高，煤粉粒度過大，動能就大，快速流動的煤粉粒、未完全燃燒的顆粒和煙灰對水冷壁沖刷嚴重，使金屬管外微量金屬被剝離，引起管壁變薄。煤灰濃度越大，流速越高受熱面的磨損就會越嚴重，久而久之造成水管泄漏。

（2）部分電廠使用的鍋爐結構本身有一定的問題，鍋爐內部在裝配的過程中不符合規定和相關的要求，安裝時焊縫上下重疊，凹凸不平等原因造成壁面粗糙，很容易在運行中導致水冷壁管嚴重磨損。一般循環流化床鍋爐水冷壁管雖然普遍存在磨損現象，但年磨損量較小，屬于均勻磨損。

（3）磨損的另一個原因是燃燒器的安裝不當或損壞，從而造成燃燒器周圍管壁磨損。在一次風粉混合物中，煤粉含量大約為200～700 g/kg 空氣，當一次風噴入爐膛時，如果燃燒器安裝角度偏離規定值，因吹灰不當使風粉氣流高速沖刷水冷壁，使其磨損減薄。

2017 年6 月山西某電廠4#爐發生的一起水冷壁泄漏事故，圖一為切割下來的泄漏管子，由圖看出此處水冷壁管壁的磨損已經相當嚴重，管壁變薄，從而導致泄漏：

圖1 山西某電廠#4 爐水冷壁磨損

2.3 汽水循環失常導致超溫爆管

蒸發受熱面的汽水混合物流動方向或流速沒有按設計流動時，出現停滯、倒流或產生自由水位等稱為水循環失常。導致汽水分配不合理，蒸發受熱面水膜被破壞，使這部分金屬得不到及時冷卻，從而導致金屬溫度將超過允許工作溫度。超溫使管材發生金屬組織變化，機械性能變弱，管子抵抗管內工質壓力的能力（強度）因溫度升高而降低，管子在內壓力下發生塑性變形、鼓泡、脹粗、爆破等，最終導致管壁泄漏，見圖2。

圖2 山西某電廠#4 爐水冷壁爆管

2.4 爐管焊接質量不良等形成爆管

山西某電廠600 MW 鍋爐水冷壁采用T22/13Cr Mo44 的鋼材，對焊接的工藝水平要求較高，如果存在焊接質量不良或焊接缺陷，則會產生焊接裂紋。焊接裂紋是在應力和高溫下金屬產生破裂所引起的一種缺陷。焊接裂紋容易出現在焊口集中的地方。鍋爐啟動次數越多，這種應力也會越大，管壁頻繁的受到應力作用，非常容易導致鋼管金屬疲勞。如產生焊接裂紋，極易造成水冷壁在高溫、高壓的工況下泄漏。

2.5 水冷壁腐蝕

2.5.1 管內垢下腐蝕。

水冷壁管內覆蓋著一層Fe3O4保護膜。當爐水的PH 值為9～10 時，保護膜最穩定，管內腐蝕最小。如果爐水的PH 值超標，爐管中的保護膜遭到破壞。溫度越高需要NaOH 的濃度越低，反應如下：

高溫下 NaOH 還會與其中的碳結合生成甲烷CH4:

Fe3C+6NaOH→3Na2FeO2+CH4+H2金屬中的碳被置換掉，因而造成鋼中珠光體消失和脫碳現象，使鋼鐵脫碳。當上述腐蝕過程中生成的 CH4和H2聚集在晶界原有微觀空隙內，隨著反應不斷進行，晶間上的甲烷量不斷積聚增多，與氫原子所占的容積相比，甲烷的分子很大，無法在鋼中擴散，于是在金屬內部產生內壓力，迫使晶界擴張和晶粒分離，引起晶間裂紋，高溫下最終導致爐管爆破。

2.5.2 管外高溫腐蝕

管壁在較高溫度時硫元素參與各種腐蝕。貧煤的硫含量普遍高于1.2%，貧煤燃燒性能差，容易產生還原性氣體CO、H2和腐蝕性氣體H2S，在燃燒過程中釋放出硫元素，這時S 與金屬發生反應，Fe+S→FeS，就會引起管壁高溫腐蝕。煙氣側水冷壁管溫度多在420 ℃左右，正處于金屬發生強烈高溫腐蝕的溫度范圍之內。

3 避免鍋爐水冷壁泄漏的有效措施

通過以上對鍋爐水冷壁泄漏原因的分析能夠發現，鍋爐泄漏問題必須要得到重視，并根據泄漏的原因，采取不同的方法進行防治。

3.1 水冷壁結垢的處理措施

3.1.1 進行煮爐和酸洗

煮爐和酸洗不但可以去除鍋爐在制造、運輸和安裝過程中產生的鐵銹和油垢，而且還可以使點火初期的水汽品質很快達到標準。

3.1.2 提高給水品質

應嚴格保證鍋爐水質，將水的硬度降低到符合工業鍋爐水質GB1576 的要求。

（1）離子交換法

鈉離子交換樹脂是用于將水中的鈣鎂離子置換出來使硬度降低到軟水。

（2）反滲透法

一種以高于滲透壓的壓力作為推動力，利用選擇性膜只能透過水而不能透過溶質的選擇透過性，從水體中提取淡水的膜分離過程。反滲透又稱逆滲透。

（3）爐內進行加藥化學處理法

能夠有效防止水垢產生的磷酸三鈉是一種白色至無色晶體。向爐內加入磷酸三鈉，在水溶液中分解為磷酸氫二鈉和氫氧化鈉，與爐水中的鈣、鎂離子生成松軟且沉淀的磷酸鹽渣滓，水渣沉淀在水冷壁下聯箱內，通過定期排污排出爐外。

軟化水只能降低硬度，而不能將水中的鹽分完全除去，水質較差的地區應采用含鹽量極少的除鹽水，可以有效降低鍋爐給水的硬度。另外從生產工藝返回鍋爐的生產凝結水硬度不得超過規定值。提高鍋爐給水品質后鍋爐的排污率也會降低，減少了工質和熱損失，延長鍋爐的使用壽命。

（4）對汽水系統取樣化驗

為了防止鍋爐內管道積鹽、結垢和腐蝕等故障，水、汽質量應達工業鍋爐水質GB1576 的標準。因此，應對鍋爐水和蒸汽進行定期取樣化驗分析，如不合格時，應及時消除。

（5）進行連續排污

隨著爐水的強烈蒸發，爐水的含鹽濃度越來越高，爐水的鹽度比給水大的多。為了獲得良好的蒸汽品質，就必須使爐水維持較低的鹽度，在爐水含鹽量最大的地方鹽段，進行連續排污能迅速提高爐水和蒸汽品質。

（6）進行定期排污

當水處理設備故障或不完善時，鍋爐給水的混濁度比較大，鍋爐中泥沙雜質以及鈣、鎂離子生成的渣滓含量越來越多，如不排出，上升管會堵塞造成冷卻不佳可能有爆管的危險。所以應該在水冷壁下聯箱處進行定期排污。運行鍋爐一般8 h 定期排污一次，排出爐水中的泥沙和水渣等雜質，能迅速調整爐水品質同時防止水冷壁管堵塞。

3.1.3 保證用汽設備和汽水管道嚴密

當用汽設備和汽水管道發生泄漏時，冷卻水或雜質漏入蒸汽凝結水中，使凝結水中鈣、鎂鹽類超標，這也是產生水垢的一個重要原因，所以當發現用汽設備或鍋爐給水硬度升高時，應及時檢查并消除用汽設備和汽水管道不嚴現象。

3.2 磨損泄漏的防治

防止水冷壁管的磨損主要有提高煤粉質量，煤粉粒徑R90 控制在10%～13% 之間，防止煤粉粒度過大，運行時應及時清除燃燒器噴口附近結渣。

除此之外，常采取在管子上易磨損的部位貼焊短鋼筋或加裝防磨護瓦，由于短鋼筋和水冷壁接觸良好，能得到較好的冷卻，所以不易燒壞。山西某電廠由于多次發生水冷壁磨損泄漏事故，特在水冷壁彎角磨損處，加裝了一層防磨護瓦，防止高速的風粉混合物直接沖刷管壁，效果良好。

3.3 超溫泄漏的防治

為了防止循環故障帶來的超溫爆管，要求燃料供給均勻，燃燒穩定、爐內空氣動力場良好，風粉均勻。運行中應調整好火焰中心的位置，避免出現貼墻燃燒。合理投用燃燒器，避免造成燃燒器區域溫度過高。鍋爐運行負荷不能過高或過低，以免受熱面超溫。為防止傳熱惡化，設計時水冷壁管徑不宜過大、水冷壁管組的并列管根數不能太多、管子組合應合理、適當增加下降管截面積等；也可采用內螺紋管等來產生擾動邊界層和旋轉。如圖3 所示：

圖3 水冷壁管內采用內螺紋管

3.4 爐管焊接質量不良的預防措施

（1）在焊接工藝規程允許的范圍之內盡可能地使用小坡口角度。

（2）在點焊工作正式開展之前進行預熱工作使溫度適當提升。

（3）使用雙人對稱交替焊接。兩人均勻、交替地焊接，既能夠對焊口各個層次之間的溫度做出一定程度的保證, 也是可以達到最大限度地降低焊接應力、減少焊接變形的目的，以免在焊口焊接相關工作正式完成之后出現角變形問題。

（4）包含管排片對口拼縫、口密封以及管排相互之間的拼縫相互之間的間隙應當小于4 mm，以便能夠使其滿足相關規程中提出的明確要求。

（5）焊接工作完成后經過 100% 射線探傷，合格率達到了 95%, 不合格的需重新焊接，與此同時也對管排整體的安裝尺寸形成了有效的控制。

3.5 腐蝕泄漏的防治

為防止水冷壁管垢下腐蝕，應提高給水品質，加強水質化學檢驗，盡量降低給水中的雜質和爐水中的NaOH 的含量。為防止水冷壁的管外腐蝕，正確安裝燃燒器角度，改善燃燒環境，避免火焰直接沖刷水冷壁；適當增大過量空氣系數，合理配風，調整燃燒降低水冷壁附近還原性氣體的產生。適當提高管內汽水流速以防止水冷壁溫度過高，加劇腐蝕。還可以采用高合金鋼，滲鋁管或涂抹碳化硅涂料。

4 結束語

鍋爐是電廠和企業中的核心設備，其質量直接影響著電廠和企業經濟效益和環境效益。導致爐管爆破的原因有很多，有時往往是幾方面的因素共同影響而造成事故，所以，防止爐管爆破除了從安裝、運行管理、檢驗等各個環節入手外還要通過高仿真鍋爐三維模型，將三維與業務數據關聯，便于掌握鍋爐狀態。實時監控系統通過采集機組歷史數據，進一步監控泄漏發生時間與發展趨勢。計算鍋爐受熱面蠕脹趨勢與剩余壽命分析，為制定檢修計劃提供重點檢查指導服務，有效預防、杜絕或減少鍋爐水冷壁管超溫爆管、泄漏。