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燃煤電站鍋爐“四管泄漏”風險研究
及防控措施
引言
“四管泄漏”是燃煤電站鍋爐普遍存在的問題，當爐管發生泄漏時，機組非計劃停運，營業中斷，因此而造成的經濟損失往往高達數百萬元。根據某發電集團設備事故統計，鍋爐設備事故中，“四管泄漏”造成的事故約占90%，占較大比重。永誠保險通過對近年來發電企業鍋爐“四管泄漏”案件分析，總結運營期電廠“四管泄漏”的風險防控經驗，供各發電企業參考。
01
“四管泄漏”現象簡介
隨著發電機組容量的提高，鍋爐制造朝著高參數、大容量方向發展，較為輕微的泄漏不易發現，尤其是發生在向火側的爐管泄漏。鍋爐不同部位管材發生泄漏的現象也不盡相同，主要現象如下：
1
輕微泄漏
較為輕微泄漏時有汽水噴射的嘶鳴聲，四管泄漏探測裝置會發出警報。
2
爐外泄漏
爐外泄漏會有蒸汽外漏?，F在鍋爐運行壓力很高，發生外漏時，外漏蒸汽受保溫隔阻，泄漏出來的高溫、高壓蒸汽，噴射到保溫板會有異常聲音，從保溫封閉不嚴處冒出白色蒸汽。
3
爆管
當發生爆管時，由于爆口處泄漏量較大，當給水處于自動調節狀態時，會引起給水流量增大，汽包水位下降（亞臨界），爐膛火焰變暗；泄漏蒸汽（向火側泄漏）在爐膛高溫作用下氣化，引起爐膛負壓變化，同時主、再熱氣溫會不正常升高；泄漏蒸汽會與爐膛內煙氣煙塵混合，增大煙氣顆粒，造成引風機電流增大，鍋爐排渣出現濕灰。
4
省煤器泄漏
省煤器泄漏時省煤器出口煙溫差增大，排煙溫度減低。泄漏嚴重時豎井煙道底部會有水流出，可能造成除灰管線堵塞。
02
“四管泄漏”常見原因及機理
所謂四管是將鍋爐按照不同受熱面分為水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器四個部分，每個受熱面因內部工質參數和外部工作環境不同，發生泄漏機理也不盡相同，導致爐管泄漏的原因約有20多種，比如設計、制造、安裝、異物堵塞、結焦等，較為復雜的主要有磨損、腐蝕、超溫、金屬氧化皮等，導致主要泄漏的機理如下：
2.1 飛灰磨損的機理
磨損分為塑性磨損和切削磨損。煤粉在爐內燃燒，會產生大量的飛灰和煙氣，構成固-氣兩相流對受熱面造成磨損，高溫的煙氣和飛灰沿著煙氣走廊向爐后流動的過程中，溫度降低，形成硬度較大的飛灰，飛灰在煙氣的攜帶下高速撞擊水冷壁外邊面，使得水冷壁表面形成斑點狀磨坑，這屬于塑性磨損；而切削磨損則是煙氣和飛灰顆粒兩相共同作用，對管壁外表面造成磨損，這類磨損對管外壁傷害最大。
圖2-1 水冷壁飛灰磨損圖片（圖片來源網絡）
2.2 爐管腐蝕的機理
（1）管內腐蝕：
鍋爐在投運前，會進行酸洗，在管內壁形成致密的Fe3O4保護膜，當給水水質較差，PH值異常，會破壞Fe3O4保護膜。給水在某部位結垢時，引起結垢部位下方爐管酸化，造成水冷壁管內腐蝕。同時由于內部結垢，爐管傳熱熱阻增大，容易引起管壁超溫爆管。
圖2-2 腐蝕爆管外觀
圖2-3 水冷壁飛灰磨損圖片
（2）管外煙氣腐蝕：
包括高溫腐蝕和低溫腐蝕。高溫腐蝕是由于燃煤在燃燒過程中產生堿金屬鹽、釩鹽、二氧化硫、三氧化硫、硫化氫等多種物質，高溫作用下與爐管發生化學反應。一是燃燒產生的硫酸鹽融入灰分中，熔敷于水冷壁表面，造成水冷壁腐蝕；二是煤燃燒產生的硫化氫，硫化氫易與水冷壁管金屬直接發生反應，腐蝕管壁；三是燃燒中高溫致使含硫物質分解，產生單原子硫，爐管表面的鐵與硫在高溫作用下直接反應，生產硫化亞鐵。低溫腐蝕主要是煤粉中的硫化物燃燒時在煙氣中的露點溫度較高，當煙氣溫度低于露點溫度時，會形成酸液，對管材造成腐蝕。
圖2-4 管外煙氣腐蝕
2.3 超溫爆管機理
當環境溫度超過金屬材料額定溫度時，材料金相組織會發生變化，如果超溫幅度不大，時間不長，一般不會造成管材損壞，鍋爐過、再熱器在設計時設有短期允許超溫時間限制。當管材長時間超溫時，蠕變加速，硬度持續降低，使用壽命變短損壞，最終在管內介質壓力的作用下，從管材超溫處爆破，引起爆管。
圖2-5 各類超溫爆管
2.4 疲勞爆管機理
包括振動疲勞和熱疲勞。振動疲勞主要因煙氣沖刷、管排振動、爐膛壓力變化引起管束振動和應力交變，引發爆管；熱疲勞主要是指鍋爐管材受溫度頻繁變化引起的失效，如鍋爐頻繁啟停，爐膛水力吹灰器導致水冷壁壁溫反復變化；省煤器支撐板與鰭片焊接在一起，膨脹不一致，運行中管束受到支撐板的拉伸作用產生熱疲勞損傷等。
2.5 質量缺陷爆管
包括焊接缺陷和材料缺陷。常規300MW鍋爐焊口2萬多道，安徽平山電廠1350MW機組鍋爐焊口多達11.2萬道，如此大的焊接工作量，增加焊接質量風險。從統計數據看，焊接質量原因占爆管總數得25%左右。材料缺陷主要是設計選材。
03
四管泄漏診斷與識別
3.1 短期超溫爆管
位置：
一般發生在過熱器和再熱器的向火側。
爆口特征：
（1）爆口較大呈喇叭狀，管壁嚴重減薄邊緣鋒利；
（2）爆口塑性變形大，外表面呈藍黑色氧化組織，管徑明顯粗漲；
（3）蠕變量不明顯，氧化皮厚度1-1.5mm，向火側完全球化，背火面球化嚴重。
3.2 長期超溫過熱
位置：
過再熱器、水冷壁向火側，高溫過熱器外圈。
爆口特征：
（1）高溫蠕變型：蠕變量超過金屬監督規定值，爆口邊緣鈍，周圍氧化皮有密集縱向裂紋。爐管向火面完全球化，爆口周圍較大范圍內存在蠕變空洞和微裂紋；
（2）應力氧化型：蠕變量接近金屬監督規定值，爆口邊緣鈍，呈典型唇狀，周圍氧化皮有多條縱向裂紋，由內壁向外壁擴展，內外氧化皮分層，向火面和背面球化嚴重；
（3）氧化減薄型：蠕變量不明顯，爆口塑性變形大，管徑粗漲，爆口成喇叭狀薄唇型，管子外壁呈藍黑色，關閉溫度在鋼材的奧氏體化溫度以下為拉長鐵素體和珠光體。如管壁溫度在奧氏體化溫度以上，其組織可為碳馬氏體、貝氏體、珠光和碳素體。
3.3 飛灰磨損
位置：
（1）高溫段省煤器、過再熱器煙氣進口處；
（2）省煤器和低溫再熱器并列管組彎頭處和彎頭與豎井側墻之間的煙氣走廊外迎煙氣流側；
（3）低過和高再靠兩側墻的煙氣走廊和后豎井進口前、后煙氣走廊；
（4）過、再熱器入口處的彎頭、外部煙道管子后彎頭與包覆管之間的煙氣走廊；
（5）吹灰器附近管束、吹灰器噴嘴下方的省煤器管束，燃燒器及三次風噴嘴附近管束。
爆口特征：
（1）管壁表面由于飛灰顆粒沖擊形成斑點或小坑；
（2）向火面管壁爆口嚴重減薄。
3.4腐蝕
3.4.1 溶解氧腐蝕
位置：
省煤器入口段內壁、省煤器中部及后爐膛水冷壁。
爆管特征：
（1）表面潰瘍腐蝕，管內產生點狀或坑狀腐蝕，坑內有黑色沉積物（Fe3O4）。
（2）爆口金相分析為正常鐵素體加珠光體，晶粒沿爆口方向拉長。
3.4.2 垢下腐蝕
位置：
（1）水冷壁向火側，管內爐水流動受干擾處，如焊口、變徑等；
（2）高負荷部位，如燃燒器附近；
（3）容易出現膜態沸騰的部位，如水平管及斜管處。
爆口特征：
（1）外觀典型的苛性金屬槽蝕；
（2）管內壁腐蝕坑凸凹不平，坑上覆蓋有疊片狀腐蝕物或爆口，周圍可見層狀腐蝕產物；
（3）爆口處金屬管壁明顯減薄。
3.4.3 氫損傷
位置：
（1）水冷壁的高熱負荷、彎頭、水平或傾斜管段；
（2）燃燒器附近，爐內向火側有比較致密沉淀物的地方。
爆口特征：
（1）爆口斷面平齊、粗鈍，呈掀開狀脆性斷裂；
（2）爆口附近有凹凸不平的腐蝕坑；
（3）金相組織為鐵素體加珠光體，無明顯球化；
（4）表面多有微裂紋存在，裂紋呈網狀，由內壁向外壁擴展，向火面有明顯脫碳現象。
3.4.4 高溫腐蝕
位置：
（1）水冷壁向火側管束；
（2）燃燒器周圍水冷壁管；
（3）過、再熱器向火側。
爆口特征：
（1）爆口附近有大片腐蝕區，凹凸不平，爆口附近管壁減薄，呈拉裂狀斷裂；
（2）腐蝕面覆蓋層較厚，一般有四層，第一層為積灰，第二層為疏松積灰，第三層為Fe2O3褐色脆性燒結物，第四層為深灰色搪瓷狀。
3.4.5 低溫腐蝕
位置：
多發生在低溫省煤器和空預器管壁上。
爆口特征：
爆口附近有凹凸不平的腐蝕區、呈拉裂狀。
3.4.6 應力腐蝕
位置：
主要發生在低溫汽包鍋爐的鉚釘、管子脹口和汽包孔座附近，過再熱器的高溫區和取樣管也有可能產生應力腐蝕。
爆口特征：
（1）管內壁有一層氧化膜，有腐蝕斑點，在裂紋處有明顯的凹坑及明顯腐蝕產物，腐蝕產物氯含量較高；
（2）端口有冰糖塊狀花樣或呈顆粒狀物質，斷口周圍無塑性變形，為脆性斷裂。裂紋有樹枝狀分叉特點，裂紋較粗，較直。
3.5 短期超溫爆管
3.5.1 振動疲勞
位置：
（1）尾部對流受熱面及尾部煙道；
（2）燃燒器周圍管束；
（3）臥式過熱器管束；
（4）水冷壁管及懸吊光管水冷壁。
爆口特征：
爆口呈脆性，裂紋貫穿，斷口整齊，無明顯拉伸，金屬壁厚無減薄，可見貝紋線及二次貫穿性裂紋。
3.5.2 熱疲勞
位置：
水冷壁汽水分層處、省煤器的進口聯箱、省煤器管束和垂直水冷壁（超臨界）。
爆口特征：
（1）向火面管壁超溫，裂紋處珠光體球化嚴重；
（2）金相分析晶內和晶界分布大顆粒碳化物珠光體球化或石墨化；
（3）裂紋粗而短，沿晶開裂，存在二次裂紋，擴展方向垂直管軸；
（4）裂紋中充滿腐蝕介質和腐蝕產物，在裂源處有熔鹽和煤灰沉積；
（5）斷口有明顯粗脹。
圖3-1 各類型爆管
04
鍋爐“四管泄漏”對策
4.1 防磨防爆管理
4.1.1高度重視防磨防爆管理工作，成立防磨防爆工作小組，建立防磨防爆管理制度，明確各級人員工作職責；制定防磨防爆工作實施細則，根據本單位鍋爐特點，制定詳細檢查辦法和標準；制定嚴格的獎懲辦法，提高防磨防爆人員工作的積極性；
4.1.2 加強防磨防爆技術管理和經驗積累。引起四管泄漏因素很多，每個廠的運行控制水平和煤質不盡相同，發生爆管的原因也各不相同，要針對本廠發生的爐管泄漏進行深入研究，分析原因，制定有針對性的防范措施。
4.2 運行控制
4.2.1 做好汽水品質監督。汽水品質好壞是爐管內部腐蝕控制的關鍵，要保證鍋爐給水合格，加強汽水定期化驗和在線監測工作，發現異常，及時查找原因并處理；
4.2.2 控制入廠煤質，標準符合鍋爐設計要求，控制煤粉細度在合理范圍之內；
4.2.3 做好燃燒優化，合理配風，強化爐內湍流混合，增強一次風的剛性，防止氣流偏斜和煤粉火焰貼壁燃燒；
4.2.4鍋爐運行中應做好燃燒調整，控制煙氣溫度偏差，加強汽溫和受熱面管壁溫度監視和控制，嚴禁超溫運行；
4.2.5 控制機組啟停及升降負荷相關參數在規定范圍內，嚴格控制減溫水的使用，氣溫調節做到“精調細調”；
4.2.6 及時進行鍋爐吹灰，防止由于積灰產生腐蝕。
4.3 檢修控制
4.3.1 鍋爐防磨防爆工作堅持“逢停必檢”的原則，在大、小修中有計劃的安排受熱面檢查、測厚、化學監督、金屬監督工作；
4.3.2 加強化學監督。根據DL/T1115《火力發電機組大修化學檢查導則》、DL/T246《化學監督導則》，結合鍋爐運行情況，做好化學監督工作。割管首先選擇曾經發生爆管及附近部位，其次選擇管徑發生脹粗或顏色有明顯變化的部位，最后選擇煙溫高的部位；
4.3.3 加強金屬監督。根據DL/T939《火力發電鍋爐受熱面監督檢驗技術導則》、DL/T654《火電機組壽命評估技術導則》、DL/T438 《火力發電廠金屬技術監督規程》，鍋爐運行5萬小時、運行10萬小時后應每次大修進行割管檢查，割管的部位為管子壁溫較高區域，每次為2-3根。經壽命評估后，還應在使用年限內加大檢查頻次，掌握劣化趨勢，對于超過壽命評估期的管材應予以及時更換；
4.3.4 金屬氧化皮監測。
（1） 對于奧氏體鋼制高溫過熱器和高溫再熱器管，根據運行情況對管內內壁氧化層進行監測，特別注意下彎頭內壁氧化層剝落堆積情況，根據檢驗結果，決定是否割管清理；
（2） 超臨界及以上新投運機組應從首次檢修開始，對再熱器、過熱器管，發生過氧化皮脫落的管子進行檢查，檢查內容主要有外觀、脹粗、變形量、壁厚、內壁氧化皮厚度、下彎頭氧化皮堆積情況等；
（3） 立式過熱器、再熱器下彎頭應無明顯的氧化產物堆積，檢修中應采用射線檢測法、磁性檢測法對下彎頭氧化皮剝落堆積情況進行檢查，采取相應措施清理，分析成分和原因。
4.3.5 技術改造。
對于設計、安裝等原因造成爐管泄漏，不能通過運行調整方式改善的，應考慮技術改造。
（1）燃燒較差煤質的鍋爐，在燃燒器周圍敷設衛燃帶；
（2）采用低氧燃燒技術控制爐內腐蝕；
（3）使用添加劑（除焦劑）；
（4）采用電鍍、熱噴金屬防護層的方法增加爐管抗腐蝕性能；
（5）采用加防磨瓦的方式改善特殊部位抗磨性能。
圖4-1 防腐涂層
結束語
近年來，隨著我國電站鍋爐制造工藝的提高和基建管理的完善，由于制造和安裝的原因引起鍋爐爆管得到有效控制，目前鍋爐運行中發生的問題較多。燃煤電站鍋爐的防磨防爆治理是一項長期的工作，在管理上應“關口前移”，組建防磨防爆工作團隊，利用鍋爐停運的機會，有計劃的對鍋爐各受熱面進行檢查，通過金屬監督、化學監督等手段，全面了解各受熱面工作情況，對有磨損、腐蝕、變形、錯位等異常部位，做好記錄，認真分析，制定合理的調整措施，這樣才能降低“四管泄漏率”，實現鍋爐長期、穩定運行。
文字來源：鍋爐專業
