鍋爐承壓部件泄露或爆破是怎麼回事

鍋爐承壓部件泄露或爆破事故

大型火力發電機組的非停事故大部分是由鍋爐引起的。隨著鍋爐機組容量增大，「四管」爆泄事故呈現增多趨勢，嚴重影響鍋爐的安全性，對機組運行的經濟性影響也很大。

有的電廠因過熱器、再熱器管壁長期超溫爆管，不得不降低汽溫5~10℃運行；而主汽溫度和再熱汽溫度每降低10℃，機組的供電煤耗將增加 0.7~1.1g/kWh；主蒸汽壓力每降低1MPa，將影響供電煤耗2g/kWh。

為了防止鍋爐承壓部件爆泄事故，必須嚴格執行《實施細則》中關於防止承壓部件爆泄的措施及相關規程制度。

看點

01

鍋爐承壓部件泄露或爆破的現象及原因

（一）「四管」爆泄的現象

水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器在承受壓力條件下破損，稱為爆管。

受熱面泄露時，爐膛或煙道內有爆破或泄露聲，煙氣溫度降低、兩側煙溫偏差增大，排煙溫度降低，引風機出力增大，爐膛負壓指示偏正。

省煤器泄露時，在省煤器灰斗中可以看到濕灰甚至灰水滲出，給水流量不正常地大於蒸汽流量，泄露側空預器熱風溫度降低；過熱器和再熱器泄露時蒸汽壓力下降，蒸汽溫度不穩定，泄露處由明顯泄露聲；水冷壁爆破時，爐膛內發出強烈響聲，爐膛向外冒煙、冒火和冒汽，燃燒不穩定甚至發生鍋爐滅火，鍋爐爐膛出口溫度降低，主汽壓、主汽溫下降較快，給水量大量增加。

受熱面爐管泄露後，發現或停爐不及時往往會沖刷其他管段，造成事故擴大。

（二）鍋爐爆管原因

（1）鍋爐運行中操作不當，爐管受熱或冷卻不均勻，產生較大的應力。

1)冷爐進水時，水溫或上水速度不符合規定；啟動時，升溫升壓或升負荷速度過快；停爐時冷卻過快。

2)機組在啟停或變工況運行時，工作壓力周期性變化導致機械應力周期性變化；同時，高溫蒸汽管道和部件由於溫度交變產生熱應力，兩者共同作用造成承壓部件發生疲勞破壞。

（2）運行中汽溫超限，使管子過熱，蠕變速度加快

1)超溫與過熱。

超溫是指金屬超過額定溫度運行。超溫分為長期超溫和短期超溫，長期超溫和短期超溫是一個相對概念，沒有嚴格時間限定。超溫是指運行而言，過熱是針對爆管而言。

過熱可分為長期過熱和短期過熱兩大類，長期過熱爆管是指金屬在應力和超溫溫度的長期作用下導致爆破，其溫度水平要比短期過熱的水平低很多，通常不超過鋼的臨界點溫度。

短期過熱爆管是指，在短期內由於管子溫度升高在應力作用下爆破，其溫度水平較高，通常超過鋼的臨界點溫度，會導致金屬組織變化發生相變。

長期過熱是一個緩慢的過程，鍋爐運行中管子長期處於設計溫度以上而低於材料的的下臨界溫度，逐漸發生碳化物球化、管壁氧化減薄、持久強度下降、蠕變速度加快而導致爆管。

根據工作應力水平，長期過熱爆管可分為三類：

高溫蠕變型、應力氧化裂紋型過熱爆管主要發生在過熱器中，氧化減薄型過熱爆管主要發生在再熱器中。

長期過熱的主要原因包括熱偏差、熱力計算失誤、錯用鋼材及異物堵塞。

短期過熱是一個突發過程，運行中管子金屬溫度超過材料的下臨界溫度，因內部介質壓力作用發生爆裂。

短期過熱通常發生在水冷壁、過熱器和再熱器向火面。

長期過熱與短期過熱爆管特徵見表1-2-1。

長期過熱與短期過熱爆管特徵

2)熱偏差

影響熱偏差的主要因素是熱應力不均和水力不均。

3)傳熱惡化

第一類傳熱惡化也稱作膜太沸騰，是指管外熱負荷過大，因管壁形成汽膜導致的沸騰傳熱惡化。

第一類傳熱惡化所對應的臨界熱負荷非常大，大型電站鍋爐一般不會發生。

第二類傳熱惡化即管內環狀流動的水膜被撕破或者「蒸干」。發生第二類傳熱惡化的熱負荷低於第一類傳熱惡化的熱負荷值。直流爐因加熱、蒸發、過熱三階段無明顯分界點，工質含汽率x 由0逐漸上升到1，發生第二類傳熱惡化不可避免。

直流鍋爐蒸發受熱面的沸騰傳熱惡化現象主要與工質的質量流速、工作壓力、含汽率和管外熱負荷有關。

（3）受熱面磨損

受熱面磨損是由含灰氣流對受熱面沖刷撞擊造成的。受熱面磨損的速度與氣流速度的三次方成正比，與飛灰濃度成正比，與管子的排列方式、管子的耐磨性能有關，同時，飛灰硬度、形狀、直徑大小也是影響受熱面磨損速度的因素。

受熱面磨損是省煤器爆管的主要原因。

（4）受熱面腐蝕。

1)爐管內高溫氧化腐蝕。受熱面管子中鐵離子在一定的溫度下氧化，隨著受熱面壁溫度升高，氧化速度不斷加快；當溫度高於580℃時，爐管金屬內壁氧化皮層由FeO、Fe2O3、Fe3O4三種氧化物組成，最靠近金屬的氧化物FeO構成氧化層的主要部分。

由於FeO的晶體疏鬆不緊密，晶體缺陷多，易造成氧化層脫落，使金屬與氧易於接觸而重新氧化，加速了氧化過程，產生高溫氧化腐蝕破壞。同時，氧化皮脫落導致受熱面堵塞，管子過熱爆管。

2)爐管內結垢、腐蝕。給水品質不良，爐水品質差，引起爐管管內結垢，結垢後易產生垢下腐蝕。同時，結垢使傳熱熱阻增大，管壁溫度上升，強度減弱，發生爆管。

3)受熱面的高溫黏結灰和高溫腐蝕。在高溫煙氣環境中，飛灰沉積在受熱面管子表面，煙氣和飛灰中的有害成分（複合硫酸鹽）會與管子金屬發生化學反應，使管壁減薄、強度降低，稱為高溫腐蝕。

4)製造、安裝、檢修質量不良。如管材或管子鋼號錯誤、管子焊口質量不合格、彎頭處管壁嚴重減薄。

看點

02

承壓部件爆破泄露典型事故

案例一 水冷壁過熱爆管

1.事件經過

某電廠兩台容量為1910t/h本生型直流鍋爐，鍋爐蒸發Ⅰ段採用螺旋水冷壁，Ⅱ段採用一次垂直上升水冷壁。

自2005年投產至2007年，兩台鍋爐共發生十多次水冷壁橫向裂紋泄露事故。

統計十多次水冷壁泄露點情況；泄露點集中於前、後牆水冷壁區域，即蒸發Ⅰ段出口聯箱入口處、鍋爐蒸發Ⅱ段入口聯箱出口處、蒸發Ⅰ段出口下部1~2m處以及爐膛內個別燃燒器上部受熱較強的水冷壁。

2007年6月，對停爐小修的2號鍋爐蒸發Ⅰ段、Ⅱ段處仔細檢查，發現橫向裂紋十多處，這些水冷壁橫向裂紋密集，向火側管壁有氧化皮和球化現象。泄露裂口斷面粗糙，管子基本沒有漲粗減薄現象。

2.事故原因分析

（1）水冷壁泄露的原因為管子橫向裂紋失效。鍋爐運行中，由於高負荷區域工質流速低的水冷壁管壁壁溫上下交變，管子向火側外壁管壁溫度高達500℃，溫度波動幅度為±50℃，該管段由於受熱面管內汽水混合物全部「蒸干」，出現不穩定的過熱現象，管壁溫度大幅度波動導致疲勞失效破壞。

（2）爐內火焰分布不佳，熱負荷不均勻。鍋爐採用前後牆對沖旋流燃燒，24隻燃燒器分為三層，由於各一次風管煤粉濃度不均，造成爐內火焰分布不佳，熱負荷不均，出現了蒸發Ⅰ段出口聯箱入口處、鍋爐蒸發Ⅱ段入口聯箱出口處、蒸發Ⅰ段出口下部及爐膛內個別燃燒器上部受熱較強的水冷壁超溫現象。

（3）運行中兩台機組長期參與電網調峰，使得鍋爐低負荷工況運行時間長，水冷壁水動力特性不穩定，造成管壁溫度波動。

（4）由於煤質和燃燒器調整等原因，鍋爐運行中爐膛結渣、積灰，積灰、結渣和大渣的脫落也造成水冷壁溫度波動。

在上述原因影響下，水冷壁局部高熱負荷區域的工質流速低，含汽率增大，水冷壁各管出口溫度和焓值產生較大波動，使前後牆高熱負荷區域水冷壁產生橫向裂紋，發生泄漏。

3.防範措施

(1)防止運行中給水流量大幅度波動，鍋爐啟動給水流量不低於140t/h。嚴格控制中間點溫度在正常值，使其保持微過熱度10~20℃運行。

(2)鍋爐低負荷運行時，合理安排磨煤機運行方式，加強燃燒調整，避免鍋爐爐膛局部熱負荷過高。

(3)防止鍋爐結渣積灰。

(4)嚴格控制鍋爐升溫升壓和增減負荷速度，升溫速度應小於2℃/MIN。

(5)運行中應嚴格控制鍋爐水冷壁管壁溫度，發現溫度大幅度波動，應立即採取相應措施，如：減少給煤量減弱燃燒，適當增加給水量，切換磨煤機運行等。

(6)針對性的進行燃燒調整及熱力試驗，保證一次風管的風、粉調平、爐內熱負荷均勻。

案例二

屏過爆管

（材質問題、異物堵塞）

1.事故經過

某年5月17日，某廠3號機組負荷600MW，CCS協調投入。

A、B引風機、送風機、一次風機、汽動給水泵運行，B、C、D、E、F制粉系統運行，A、B引風機靜葉開度分別為74%、73%，電流分別為227A、210A，A、B空預器吹灰正在進行。

17時28分，「爐膛壓力高」報警，檢查爐膛壓力最高+151Pa，給水流量由1800t/h增加至1820t/h，兩台引風機靜葉開度由74%、73%均開至87%，電流分別升高至238A、230A，鍋爐投助燃油。

檢查「四管泄漏」裝置報警顯示2、5、6、7、9、10、13、14、15、16、19、20點為紅色泄露信號，停止鍋爐吹灰，就地檢查發現鍋爐左側水冷壁螺旋管圈出口聯箱偏上至水平煙道部位聲音異常，彙報值長降負荷至300MW。

17時35分，給水流量繼續增加至1840t/h。19時11分，確認鍋爐爆管，接值長令，機組停運。

2.事故原因及分析及暴露的問題

(1)此次鍋爐泄露為屏過，管材規格為T91、φ38mm×6.6mm，暴口長77mm，爆口張開寬度97mm，邊緣鋒利光滑，管壁邊緣厚度不足1.0mm，管子內外壁無明顯氧化結垢。

爆口具有短時過熱爆破特徵，因該泄露管屏未布置壁溫測點，使得屏過管超溫無法發現。

根據現象分析爆管原因：

一是管材本身材質問題；

二是該屏集箱內有異物物。

(2)施工單位在安裝時未進行仔細檢查，忽視安裝質量，質檢人員責任心不強。

(3)監理單位驗收把關不嚴，未採取針對性的驗收手段。

(4)建設單位管理不到位，在落實細節責任制上存在漏洞。

3.採取的措施

(1)對爆管的屏過出口前數第1根管子做整圈管子更換。

(2)與爆破管子相鄰吹損變薄嚴重的同屏前數第17、20根吹損部位進行更換。

(3)對屏過入口集箱左數第3~14、17~28檢查孔割除，做內部異物檢查，發現入口集箱存在少量機械加工鐵屑和雜物。

(4)屏過出口水平段間隔管更換新管。

(5)屏過出口磨損深度達0.8mm的T91管子進行補焊處理。、

(6)屏過入口水平段間隔管磨損處補焊（管材TP347H）。

(7)增設泄露屏等8個管圈壁溫測點，以便運行中監視和控制屏過管壁溫度。

(8)其他減薄不超過10%的管子，不作更換處理，繼續跟蹤，待下次停機時再複查。

案例三

高溫過熱器爆管（氧化皮）

1.事故經過

3月7日，某電廠2號機組接啟動命令，於8時05分鍋爐點火；16時20分，機組併網；23時40分，負荷300MW。

3月8日2時57分，2號機組負荷450MW開始穩定運行，A、B、C、E、F磨煤機運行，給水流量1286t/h，主汽流量1243t/h，過熱器減溫水流量14.9t/h，凝結水流量1052t/h，凝結水補水門開度26%，A、B引風機電流分別為185A、181A。

3月8日8時，機組負荷450MW。

8時40分，2號機組發「鍋爐泄露裝置報警」信號，檢查「四管泄漏」裝置報警點，顯示32~45點泄露報警變為紅色。熱工人員確認「四管泄漏」裝置無異常，鍋爐檢修確認折焰角附件有泄露聲。

8時55分，鍋爐A、B引風機電流突增，爐膛負壓變正，A側屏出口溫度迅速下降；此時，給水流量1312t/h，過熱器減溫水流量74t/h，A引風機電流增至209A，B引風機電流增至210A。

由於主再熱汽溫、爐膛負壓擺動，燃燒不穩定，鍋爐投油助燃，降壓運行。聯繫調度申請停爐。

10時25分，機組解列。停爐檢查發現，2號鍋爐高過發生爆管。

3月9日下午，檢修人員進入爐內檢查，發現從爐左數第9屏14管（從外圍向內圍數）、11屏1管，22屏4管入口管段爆管，爆口位置全部位於T91與TP347異種鋼焊口上方約10mm的T91管道。由於高過9屏14管爆口很大，強大的氣流將高過管道甩開插入到屏過9屏入口段管屏（φ38mm×5.6mm、SA-213、T91）間，有8根屏過管吹損減薄。進一步檢查發生高過7屏13管、9屏8管、13屏15管、17屏10管、20屏10管、21屏12管TP347材質管道顏色變黑；測量蠕脹，此6根管T91管材在靠近異種鋼焊口處明顯脹粗，最大處脹粗達2mm。

由於此次爆管管道比較分散，爆口均在T91管材段，且有3根管同時爆裂，爆口均呈喇叭狀，脹粗十分明顯，爆口邊緣鋒利，破口附近氧化層很薄，判斷為短期過熱超溫爆管。

將變色較嚴重的一根管道下彎割下，從管彎內倒出大量氧化皮粉末，質量約為300g。

2.事故原因分析和暴露的問題

（1）經金屬專家現場檢查，判斷為高過TP347H管段內部氧化皮脫落造成管道堵塞，管道局部短時間過熱發生爆管。

（2）利用氧化物探測器對高過所有彎頭和夾持管彎頭進行檢查（共檢查591+581+200個彎頭），發現高過11屏18管和30屏10管下彎頭內有少量氧化皮需要進行割管處理。又對屏過4屏和高溫再熱器1屏下彎頭進行抽查，未發現異常。

（3）由於煤質、熱負荷變化，在低負荷（60%額定負荷及以下）由於部分過熱管子蒸汽流量偏低，流速偏差大，可能造成局部過熱引起爆管。

（4）鍋爐啟動過程中，過熱氣溫上升較快，短時間超過3℃/min，氧化物很容易從過熱器管壁剝離，加之在機組啟動初期蒸汽流量小，不能迅速將剝離的氧化物帶走，等到大流量時就會在管徑較小的彎頭處形成堵塞，進而發生此次2號鍋爐超溫爆管。

（5）根據2號機組啟動後的鍋爐爆管的時間分析，管道內部氧化皮大幅度脫落的時間應當發生在啟動過程中。

（6）集控人員沒有嚴格按規程規定個升溫升壓率來控制各項主要參數，在高壓旁路工作不正常時沒有正確控制汽溫、汽壓等主參數，沒有減少燃料量，導致啟停過程中汽溫變化率較大。

（7）鍋爐專業及集控運行人員對管材TP347H（屏過、高過、高再）氧化皮如何生成的知識，沒有完整的概念，製造廠也沒有對這種管材特性加以強調說明，導致運行人員缺乏必要的技術支持。

（8）運行人員在歷次的啟、停操作中，對參數的調整尤其是汽溫的調整多次偏離規程規定。

（9）由於缺乏這方面的經驗，檢修部門在機組停備檢修中，沒有將TP347H受熱面管道內部氧化皮脫落情況的檢驗納入鍋爐防磨防爆檢查項目中，造成高過因氧化皮脫落堵塞爆管。

3.防範措施

（1）機組啟停過程中，主再熱汽溫溫升（降）速率直接影響到氧化皮的剝落；由於氧化皮和管壁金屬線膨脹係數有明顯差異，所以應該嚴格控制主再熱汽溫升（降）速率。如果燃燒器採用等離子點火，為防止啟動初期溫升難以控制，應採取少量煤量和減溫燃燒器的投入數量或鍋爐投油助燃。

（2）在鍋爐啟動和升負荷期間，注意監視管壁溫度，如發現異常，可以採取快速升降負荷變壓沖管，或通過汽機旁路對系統進行長時間大流量低壓沖洗，以將沉積的氧化皮沖走。

（3）加強爐膛吹灰，定期清潔爐膛，以增強爐膛吸熱，降低過熱器壁溫。每天白班和前夜班，應保證爐膛的正常吹灰。

（4）加強主再熱汽溫監控調整，改善汽溫調節品質。機組正常運行中要盡量避免大幅度調整減溫水造成減溫器後管壁溫度突變。

（5）發生爆管的受熱面沒有安裝溫度測點，可在高過增設測點，方便運行人員監視。

（6）停爐後至少要進行一定時間（12h）的自然冷卻，然後才可啟風機進行強製冷卻，避免停爐後管道內氧化皮的大幅度脫落，致使堵管。

（7）嚴格執行停爐必查原則，停爐時間大於3天時，要對屏過、高過管屏進行檢查，發現管道有變顏色等異常情況，及時檢查處理確認原因。

最近幾年，新投資的國內和進口的超臨界機組，都曾發生鐵素體鋼和奧氏體不鏽鋼管內壁氧化膜剝落堵管或引起超溫爆管泄露事故。

應加強主業技術之間的溝通交流，學習積累運行、檢修經驗，採取有針對性的技術措施，避免重複發生類似事故。關於TP347H管內氧化皮脫落原因，目前沒有定量的分析，國內各大金屬材料研究部門正在研究分析。

針對此次發生的TP347H管道內部氧化皮脫落造成爆管，可能是由以下原因造成。

　TP347H 管為奧氏體不鏽鋼管，實驗得知，其線膨脹係數為（1.6~2.1）×10-5,氧化物的線膨脹係數為（0.5~0.9）×10-5；

由於膨脹係數不等，管道內蒸汽介質參數變化較快時氧化物容易脫落，因蒸汽具有攜帶作用，少量脫落不會堵管；

但在異常工況下，如鍋爐啟停中升溫升壓速度過快、運行超溫等會造成氧化皮大量脫落，堵塞管道。

　正常溫度時，氧化物一邊產生一邊脫落，隨蒸汽帶走，一般不會發生堵管。

當超溫運行時就會加速高溫氧化，脫落氧化皮量大幅度增加，造成蒸汽不能將脫落的氧化皮全部帶走，部分沉積直至下彎頭部位堵塞發生爆管。

　停爐過程中，由於不鏽鋼在運行時內壁已有大量的氧化物存在，而不鏽鋼和氧化物的膨脹係數相差較大，冷卻時不鏽鋼收縮快，氧化物慢。

氧化物被擠碎，龜裂，脫落，且蒸汽攜帶能力降低，最終氧化物沉積至管道下部。

　鍋爐啟動時，由於不鏽鋼在運行時內壁大量氧化物的存在，停爐時已破碎並可能少量脫落，不鏽鋼和氧化物的膨脹係數雖然相差較大，不鏽鋼膨脹快，氧化物相對慢，氧化物破碎量小，一般不會造成氧化物大面積脫落。

升溫升壓速度過快時，可能導致氧化皮的大面積脫落。

　超臨界機組過、再熱器內壁氧化膜剝落引起超溫爆管的時間，通常在機組運行10000~20000h後發生。

目前，國內因氧化膜剝落爆管最短時間的是某廠4號機組，在運行3136h（啟停5次）後，過熱器U行彎下部氧化膜堆積多的達100g，檢修後再併網運行僅5天，又因同樣原因再次發生爆管，並吹壞再熱器管排多出。

　過、再熱器內壁氧化膜剝落有兩個主要條件：

一是垢層達到一定厚度（臨界值），一般而言，奧氏體不鏽鋼0.10mm，鉻鉬鋼0.2--0.5mm（運行2--5萬小時可以達到）；

二是母材基體與氧化膜或氧化膜層間應力（恆溫生長應力或溫降引起的熱應力）是否達到臨界值（與管材、氧化膜特性、溫度變化幅度大、速度、頻度等有關）。

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