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

該循環(huán)流化床鍋爐(SG-350/9.8-M1301)采用支吊結合的固定方式，鍋爐運轉層標高為9m。鍋爐采用單鍋筒自然循環(huán)、集中下降管、平衡通風、水冷式旋風分離器、循環(huán)流化燃燒方式，后煙井內布置有省煤器，過熱器等，爐膛底部設有鋼板式一次風室，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，并預留6個石灰石加入口，在爐膛后墻中下部還設有2個沼氣噴槍。鍋爐燃燒啟動釆用床上點火方式，床上共布置4支(爐膛左、右側墻各2支)大功率的點火油槍。

鍋爐運行與爆管情況

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

第一次爆管。2016年11月9日，南側第二屏水冷屏，位于圖1中4#敷設耐火材料銷釘管的水平段爆管。更換相應管段并進行水壓試驗，當試驗壓力達到6.5MPa時，南側第一屏8#銷釘管的水平段和南側第一屏垂直段均存在泄漏。對應換管修復后，于2016年11月14日投入運行。

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

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人員到現(xiàn)場進行診斷、分析。認為是受熱面管子(SA210C)材質抗磨性差，換管修復后，并對所有水冷屏的管子進行了抗磨噴涂處理。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，南側第一屏水冷屏在敷設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，并且在爐膛內左、右兩側墻密相區(qū)位置又發(fā)生多處泄漏。經換管修復后，于2017年1月12日投入運行。

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人員趕到現(xiàn)場進行分析處理;并截取了幾段水冷壁與水冷屏受熱面管子(SA210C)樣品，帶回制造廠進行爆管分析。分析結果認為：

1)樣管基體的化學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，對結垢的管子進行酸洗，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，南側第一屏垂直段發(fā)生多處嚴重爆管，被迫緊急停爐，鍋爐提前進行大修。

以上4次重大爆管期間，還伴存有水冷屏泄漏2次，爐膛內左、右側墻衛(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備檢測研究院等數(shù)家單位的技術入員集中到現(xiàn)場進行會診、綜合分析，最終一致同意釆納了廣東省特種設備檢測研究院提出的“空泡應力腐蝕”理論141，并按此理論觀點制訂了對應的處理方案。

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)結垢沉積物，但發(fā)現(xiàn)大量疑似從管材內壁脫落的塊狀物。縱向剖開的取樣管子，管壁內存在腐蝕凹坑、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)生在容易產生汽停滯和汽塞的部位。

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

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

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)電機組僅為6MW，且常降壓降負荷運行，在自然循環(huán)欠佳及壓力波動下，更易產生微小汽泡，并常常在水冷屏水平斜段內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，導致此處的對應管內的水迅速汽化，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，從而產生空泡應力腐蝕，持久下去便生成腐蝕凹坑、溝槽及塊狀脫落物。

3.2爐膛內受熱面管子受熱不均

銷釘與翅片處對應的管段內汽、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、水擾動的作用下，易產生流體的脈動，使管內易產生汽泡(泡狀流型)。隨著泡狀汽泡的增大，直至泡狀汽泡的爆破為止，爆破對應處便產生空泡應力腐蝕;從而在銷釘或翅片對應的管壁內就易產生應力腐蝕，形成腐蝕凹坑。

隨著管內含汽率的增大，管內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。從而此處對應的管壁內圓弧頂面區(qū)域就產生應力腐蝕，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管內塊狀脫落物(增加流動阻力)

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

3.4爐內燃燒不均

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

爐膛內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。從而造成匯集進入水冷屏的汽水溫差大，使管內易產生汽泡。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管內位置，易產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)能力嚴重不足。該管段內極容易聚集來自前、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”;汽泡爆破就產生空泡應力腐蝕。

該循環(huán)流化床鍋爐出現(xiàn)空泡應力腐蝕的主要原因是：該鍋爐長期處于降負荷、變壓力運行;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)，更容易導致圓弧頂面積聚大量汽泡，在空泡應力的長期腐蝕作用下，產生腐蝕凹坑與溝槽，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，管內也容易產生空泡應力腐蝕凹坑而爆管。

此外，水冷屏與水冷壁下集箱內的塊狀脫落物是空泡應力腐蝕的產物，不符合氫腐蝕與垢下腐蝕產生的條件與機理。

修復措施

4.1水循環(huán)優(yōu)化

1)爐膛標高18m以下的水冷壁采用內螺紋“擾流”管替換銷釘管與翅片管，使該區(qū)域的管內汽、水充分混合，由泡狀流型變?yōu)橐红F狀流型，克服流體介質的擾動而產生的脈動汽泡，避免進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°調整至60°以上，避免管內因水、汽相對流動而產生泡狀汽泡、聚集成彈狀汽泡及匯合成柱狀汽泡。

4.2爐內燃燒調整

調配風量與燃料量的比例，使燃料整體燃燒分布均勻，受熱面管子均勻受熱。

4.3運行系統(tǒng)調節(jié)

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

4.4提高管材強度

更換的管段應提高管材的強度，不易產生塑性形變和硬化，避免應力腐蝕產生。

結論

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)以及實際使用情況等因素耦合造成的，應從多角度考慮綜合整改，達到治標又治本的修復效果。