电厂余热锅炉过热器失效原因分析及解决措施

电厂余热锅炉过热器失效原因分析及解决措施

范强军

山东电力建设第三工程有限公司 山东青岛 266100

摘要：通过对失效问题进行分析研究，并制定了相关的解决措施，提高了电厂余热锅炉及机组的运行效率，同时也保障了其安全稳定运行。

关键词：余热锅炉；调峰机组；氧腐蚀；停炉保养

引言

在电站锅炉结构中，过热器管段内壁侧存在高温高压水蒸汽的氧化腐蚀，外壁侧则受到高温烟气的冲刷、腐蚀、磨损等，运行条件极其恶劣。因此，电站锅炉过热器管因短时超温、长时超温、点腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、热疲劳、机械疲劳等多种破坏形式而导致爆管或开裂等管段失效的情况时有发生。过热器管的爆管或开裂已成为导致电站锅炉非停的最常见形式，因此有必要对过热器管的失效行为进行研究，并努力避免其失效行为的发生，以保证机组安全高效地运行。某电厂锅炉为采用垃圾焚烧发电的余热锅炉，锅炉最大连续蒸发量为100.4t/h，额定过热蒸汽出口温度400℃，压力4MPa。该锅炉在安装煮炉后的试烧垃圾过程中即发现，锅炉中温过热器出口管段多处焊缝出现开裂。药液浓度为每吨水加4kg氢氧化钠与4kg磷酸三钠。中温过热器管采用材质为12Cr1MoVG，规格φ51×5㎜。因锅炉并未正式投产运行，即出现大量焊缝开裂，因此备受电厂重视。电厂随即将开裂管段割下，对焊缝开裂原因进行分析。

1结构特点

焙烧炉烟气出口为水平出口，后接余热锅炉采用卧式锅炉结构。锅炉本体包含辐射室和对流室，对流室内布置凝渣管束、高温过热器、中温过热器、低温过热器和对流管束。结合锅炉布置图和设计参数，从以下几方面分析过热器的结构特点。1）布置区域。余热锅炉为卧式锅炉，采用直通烟道式结构。辐射室较小，对流室较大。对流室入口烟气温度较高，达到720℃；过热器布置在对流室炉膛内，入口烟温为650℃左右。硫铁矿烟尘颗粒较小，磨损性较强，为防止对流受热面磨损，对流室烟气流速控制在4m/s以内。综上，过热器布置在烟气低温区，烟气流速较低，导致换热效率较低。为保证出口蒸汽温度达到450℃，过热器需较大的换热面积，因此布置了3组过热器，但3组过热器串联使整个蒸汽流程变长，过热蒸汽管道系统压损变大。为保证额定出口蒸汽压力，需提高锅筒定压。2）系统配置。锅炉沿烟气流向依次布置高温过热器、中温过热器和低温过热器，全部采用逆流式布置。中温过热器和高温过热器之间布置喷水减温器1台，各过热器、锅筒及减温器之间采用导气管进行连接。3）清灰方式。过热器清灰方式采用机械振打和乙炔爆破清灰相结合的形式，清灰效果较好，操作简单，调节方便。4）结构形式。每片蛇形管组采用双管排结构，双管相叠绕行方式。此结构在保证换热面积的同时，降低了蒸汽流速，有效减小了蒸汽系统压损，同时解决了管排出口温度偏差问题，使蒸汽在出口集箱处混合更平稳。过热器蛇形管通过水冷梁悬吊于本部件钢结构上，水冷梁端部接弹簧振打装置。水冷梁的冷却水管来自前部凝渣管束及后部的蒸发对流管束集箱。过热器顶部采用耐热钢板制成的罩壳进行密封。罩壳四周与顶部膜式壁和侧墙膜式壁进行焊接，保证了密封性，同时方便安装和更换。

2防范措施

2.1热风保养

当锅炉带压放水后，停运期间每周定期对过热器进行热风干燥保养措施。热风干燥保养是以空压机为动力源，将压缩空气经过干燥过滤装置进行脱水、除尘等步骤，并加热至180℃，利用带压热干燥空气将锅炉各系统中的残余水分从锅炉取样管后排污门吹出，以达到干燥保护的目的。当机组处于长期备用下，宜采用此类保养方法。

2.2过热器布置位置

过热器可布置在辐射部后半段。此处烟温较高，布置两组过热器即可满足工艺要求，能有效减小蒸汽系统压损，降低锅筒定压。

2.3余热烘干

当停炉超过3d时，炉水的温度在140~180℃时依靠系统余压快速放掉炉水，打开相关所有的疏放水门，打开锅炉空气排放门，尽可能排尽汽水系统中的炉水，利用锅炉的余热将锅炉烘干。机组在转为冷备用后，采取此方法可减轻腐蚀的影响。

2.4过热器新型结构设计

过热器管排采用插板式结构，即罩壳不与烟气直接接触，所有管排从顶棚水冷壁的缝隙中插入炉膛。罩壳不接触烟气，温度较低，密封性更好，不易发生焊缝拉裂漏风现象。

2.5过热器结垢问题

蒸发量较小或压力较低的过热器建议采用面式减温器的方式进行减温，防止软化水中的盐分带到蒸汽管道内。蒸发量较大的锅炉应随时保证减温水的品质，控制最大减温水量不超过蒸发量的5%。

2.6金相检验

两管段焊缝两侧母材化学成分及接头硬度值均无明显差异，且裂纹形貌相似，任意选取其中一根管段进行金相检验。A侧母材显微组织为铁素体+珠光体，B侧显微组织为铁素体+贝氏体；焊缝显微组织为贝氏体+少量铁素体；焊缝熔合区附近存在多条裂纹，且主裂纹边上出现二次裂纹分叉，裂纹扩展方式以沿晶扩展为主，部分晶粒出现沿晶脱落，该特征为碳钢和低合金钢碱应力腐蚀的典型特征。

结语

开裂弯头化学成分和金相组织均符合标准要求，也未发现其内壁侧有直道、轧折等制造缺陷。开裂弯头内壁侧均存在较多的垂直于管壁的显微裂纹，其形貌跟主裂纹形貌相似，均为沿晶扩展，并伴有明显的裂纹分叉，且部分晶粒周边已完全氧化，出现沿晶脱落，具有碳钢碱脆开裂裂纹的典型特征。断口表面能谱分析也发现了一定量的Na、P等元素，根据煮炉时所使用的药剂为氢氧化钠和磷酸三钠可以得知，造成弯头开裂的碱液可能来自锅炉煮炉过程。弯头位置硬度值显著高于直管段硬度值，表明弯头在冷弯成型后内部存在较高的残余应力。且锅炉煮炉及运行过程中，由于温度波动和汽水振动等，弯头还受到一定的热应力、工作载荷应力。由此可见，弯头的开裂为碱液与多种应力的共同作用所导致的应力腐蚀开裂，即碱脆，也叫苛性脆化。锅炉煮炉过程应避免碱液进入过热器内部，本次过热器管发生应力腐蚀开裂与煮炉过程控制不当，导致碱液进入过热器有关。弯头冷弯时的应力分布状况为:外壁表面背弧侧受拉、内弧侧受压;内壁表面为外弧侧受压、内弧侧受拉。因失效弯头的应力腐蚀开裂由内壁侧启裂并扩展，因此裂纹靠近弯头内弧侧与其残余应力的分布状态有关。碱脆属于一种电化学腐蚀过程，其反应的化学过程使得金属的腐蚀表面形成Fe3O4保护膜，保护膜在外力或管件本身的内应力作用下发生破裂。保护膜破裂后，露出的新鲜金属作为阳极，而裂纹周边的保护膜成为阴极，同时NaOH在裂纹尖端富集并起到催化作用，且裂纹尖端具有较高的应力集中，使得上述电化学反应不断进行下去，最终导致材料碱脆开裂。本文对过热器失效问题进行了详细分析，找出了原因并制定了有效的解决措施，对今后类似问题可以起借鉴作用。

参考文献

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