锅炉承压部件泄露或爆破是怎么回事？
锅炉承压部件泄露或爆破事故
大型火力发电机组的非停事故大部分是由锅炉引起的。随着锅炉机组容量增大，“四管”爆泄事故呈现增多趋势，严重影响锅炉的安全性，对机组运行的经济性影响也很大。
有的电厂因过热器、再热器管壁长期超温爆管，不得不降低汽温5~10℃运行；而主汽温度和再热汽温度每降低10℃，机组的供电煤耗将增加 0.7~1.1g/kWh；主蒸汽压力每降低1MPa，将影响供电煤耗2g/kWh。
为了防止锅炉承压部件爆泄事故，必须严格执行《实施细则》中关于防止承压部件爆泄的措施及相关规程制度。
看点
01
锅炉承压部件泄露或爆破的现象及原因
水冷壁、过热器、再热器、省煤器在承受压力条件下破损，称为爆管。
受热面泄露时，炉膛或烟道内有爆破或泄露声，烟气温度降低、两侧烟温偏差增大，排烟温度降低，引风机出力增大，炉膛负压指示偏正。
省煤器泄露时，在省煤器灰斗中可以看到湿灰甚至灰水渗出，给水流量不正常地大于蒸汽流量，泄露侧空预器热风温度降低；过热器和再热器泄露时蒸汽压力下降，蒸汽温度不稳定，泄露处由明显泄露声；水冷壁爆破时，炉膛内发出强烈响声，炉膛向外冒烟、冒火和冒汽，燃烧不稳定甚至发生锅炉灭火，锅炉炉膛出口温度降低，主汽压、主汽温下降较快，给水量大量增加。
受热面炉管泄露后，发现或停炉不及时往往会冲刷其他管段，造成事故扩大。
（二）锅炉爆管原因（1）锅炉运行中操作不当，炉管受热或冷却不均匀，产生较大的应力。
1) 冷炉进水时，水温或上水速度不符合规定；启动时，升温升压或升负荷速度过快；停炉时冷却过快。
2) 机组在启停或变工况运行时，工作压力周期性变化导致机械应力周期性变化；同时，高温蒸汽管道和部件由于温度交变产生热应力，两者共同作用造成承压部件发生疲劳破坏。
（2）运行中汽温超限，使管子过热，蠕变速度加快
1) 超温与过热。
超温是指金属超过额定温度运行。超温分为长期超温和短期超温，长期超温和短期超温是一个相对概念，没有严格时间限定。超温是指运行而言，过热是针对爆管而言。
过热可分为长期过热和短期过热两大类，长期过热爆管是指金属在应力和超温温度的长期作用下导致爆破，其温度水平要比短期过热的水平低很多，通常不超过钢的临界点温度。
短期过热爆管是指，在短期内由于管子温度升高在应力作用下爆破，其温度水平较高，通常超过钢的临界点温度，会导致金属组织变化发生相变。
长期过热是一个缓慢的过程，锅炉运行中管子长期处于设计温度以上而低于材料的的下临界温度，逐渐发生碳化物球化、管壁氧化减薄、持久强度下降、蠕变速度加快而导致爆管。
根据工作应力水平，长期过热爆管可分为三类：
高温蠕变型、应力氧化裂纹型过热爆管主要发生在过热器中，氧化减薄型过热爆管主要发生在再热器中。
长期过热的主要原因包括热偏差、热力计算失误、错用钢材及异物堵塞。
短期过热是一个突发过程，运行中管子金属温度超过材料的下临界温度，因内部介质压力作用发生爆裂。
短期过热通常发生在水冷壁、过热器和再热器向火面。
长期过热与短期过热爆管特征见表1-2-1。
长期过热与短期过热爆管特征
2) 热偏差
影响热偏差的主要因素是热应力不均和水力不均。
3) 传热恶化
第一类传热恶化也称作膜太沸腾，是指管外热负荷过大，因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化。
第一类传热恶化所对应的临界热负荷非常大，大型电站锅炉一般不会发生。
第二类传热恶化即管内环状流动的水膜被撕破或者“蒸干”。发生第二类传热恶化的热负荷低于第一类传热恶化的热负荷值。直流炉因加热、蒸发、过热三阶段无明显分界点，工质含汽率x 由0逐渐上升到1，发生第二类传热恶化不可避免。
直流锅炉蒸发受热面的沸腾传热恶化现象主要与工质的质量流速、工作压力、含汽率和管外热负荷有关。
（3）受热面磨损
受热面磨损是由含灰气流对受热面冲刷撞击造成的。受热面磨损的速度与气流速度的三次方成正比，与飞灰浓度成正比，与管子的排列方式、管子的耐磨性能有关，同时，飞灰硬度、形状、直径大小也是影响受热面磨损速度的因素。
受热面磨损是省煤器爆管的主要原因。
（4）受热面腐蚀。
1) 炉管内高温氧化腐蚀。受热面管子中铁离子在一定的温度下氧化，随着受热面壁温度升高，氧化速度不断加快；当温度高于580℃时，炉管金属内壁氧化皮层由FeO、Fe2O3、Fe3O4三种氧化物组成，最靠近金属的氧化物FeO构成氧化层的主要部分。
由于FeO的晶体疏松不紧密，晶体缺陷多，易造成氧化层脱落，使金属与氧易于接触而重新氧化，加速了氧化过程，产生高温氧化腐蚀破坏。同时，氧化皮脱落导致受热面堵塞，管子过热爆管。
2) 炉管内结垢、腐蚀。给水品质不良，炉水品质差，引起炉管管内结垢，结垢后易产生垢下腐蚀。同时，结垢使传热热阻增大，管壁温度上升，强度减弱，发生爆管。
3) 受热面的高温黏结灰和高温腐蚀。在高温烟气环境中，飞灰沉积在受热面管子表面，烟气和飞灰中的有害成分（复合硫酸盐）会与管子金属发生化学反应，使管壁减薄、强度降低，称为高温腐蚀。
4) 制造、安装、检修质量不良。如管材或管子钢号错误、管子焊口质量不合格、弯头处管壁严重减薄。
看点
02
承压部件爆破泄露典型事故
案例一 水冷壁过热爆管
某电厂两台容量为1910t/h本生型直流锅炉，锅炉蒸发Ⅰ段采用螺旋水冷壁，Ⅱ段采用一次垂直上升水冷壁。
自2005年投产至2007年，两台锅炉共发生十多次水冷壁横向裂纹泄露事故。
统计十多次水冷壁泄露点情况；泄露点集中于前、后墙水冷壁区域，即蒸发Ⅰ段出口联箱入口处、锅炉蒸发Ⅱ段入口联箱出口处、蒸发Ⅰ段出口下部1~2m处以及炉膛内个别燃烧器上部受热较强的水冷壁。
2007年6月，对停炉小修的2号锅炉蒸发Ⅰ段、Ⅱ段处仔细检查，发现横向裂纹十多处，这些水冷壁横向裂纹密集，向火侧管壁有氧化皮和球化现象。泄露裂口断面粗糙，管子基本没有涨粗减薄现象。
（1）水冷壁泄露的原因为管子横向裂纹失效。锅炉运行中，由于高负荷区域工质流速低的水冷壁管壁壁温上下交变，管子向火侧外壁管壁温度高达500℃，温度波动幅度为 ±50℃，该管段由于受热面管内汽水混合物全部“蒸干”，出现不稳定的过热现象，管壁温度大幅度波动导致疲劳失效破坏。
（2）炉内火焰分布不佳，热负荷不均匀。锅炉采用前后墙对冲旋流燃烧，24只燃烧器分为三层，由于各一次风管煤粉浓度不均，造成炉内火焰分布不佳，热负荷不均，出现了蒸发Ⅰ段出口联箱入口处、锅炉蒸发Ⅱ段入口联箱出口处、蒸发Ⅰ段出口下部及炉膛内个别燃烧器上部受热较强的水冷壁超温现象。
（3）运行中两台机组长期参与电网调峰，使得锅炉低负荷工况运行时间长，水冷壁水动力特性不稳定，造成管壁温度波动。
（4）由于煤质和燃烧器调整等原因，锅炉运行中炉膛结渣、积灰，积灰、结渣和大渣的脱落也造成水冷壁温度波动。
在上述原因影响下，水冷壁局部高热负荷区域的工质流速低，含汽率增大，水冷壁各管出口温度和焓值产生较大波动，使前后墙高热负荷区域水冷壁产生横向裂纹，发生泄漏。
(1) 防止运行中给水流量大幅度波动，锅炉启动给水流量不低于140t/h。严格控制中间点温度在正常值，使其保持微过热度10~20℃运行。
(2) 锅炉低负荷运行时，合理安排磨煤机运行方式，加强燃烧调整，避免锅炉炉膛局部热负荷过高。
(3) 防止锅炉结渣积灰。
(4) 严格控制锅炉升温升压和增减负荷速度，升温速度应小于2℃/MIN。
(5) 运行中应严格控制锅炉水冷壁管壁温度，发现温度大幅度波动，应立即采取相应措施，如：减少给煤量减弱燃烧，适当增加给水量，切换磨煤机运行等。
(6) 针对性的进行燃烧调整及热力试验，保证一次风管的风、粉调平、炉内热负荷均匀。
案例二
屏过爆管
（材质问题、异物堵塞）
某年5月17日，某厂3号机组负荷600MW，CCS协调投入。
A、B引风机、送风机、一次风机、汽动给水泵运行，B、C、D、E、F制粉系统运行，A、B引风机静叶开度分别为74%、73%，电流分别为227A、210A，A、B空预器吹灰正在进行。
17时28分，“炉膛压力高”报警，检查炉膛压力最高+151Pa，给水流量由1800t/h增加至1820t/h，两台引风机静叶开度由74%、73%均开至87%，电流分别升高至238A、230A，锅炉投助燃油。
检查“四管泄漏”装置报警显示2、5、6、7、9、10、13、14、15、16、19、20点为红色泄露信号，停止锅炉吹灰，就地检查发现锅炉左侧水冷壁螺旋管圈出口联箱偏上至水平烟道部位声音异常，汇报值长降负荷至300MW。
17时35分，给水流量继续增加至1840t/h。19时11分，确认锅炉爆管，接值长令，机组停运。
(1) 此次锅炉泄露为屏过，管材规格为T91、φ38mm×6.6mm，暴口长77mm，爆口张开宽度97mm，边缘锋利光滑，管壁边缘厚度不足1.0mm，管子内外壁无明显氧化结垢。
爆口具有短时过热爆破特征，因该泄露管屏未布置壁温测点，使得屏过管超温无法发现。
根据现象分析爆管原因：
一是管材本身材质问题；
二是该屏集箱内有异物物。
(2) 施工单位在安装时未进行仔细检查，忽视安装质量，质检人员责任心不强。
(3) 监理单位验收把关不严，未采取针对性的验收手段。
(4) 建设单位管理不到位，在落实细节责任制上存在漏洞。
3. 采取的措施(1) 对爆管的屏过出口前数第1根管子做整圈管子更换。
(2) 与爆破管子相邻吹损变薄严重的同屏前数第17、20根吹损部位进行更换。
(3) 对屏过入口集箱左数第3~14、17~28检查孔割除，做内部异物检查，发现入口集箱存在少量机械加工铁屑和杂物。
(4) 屏过出口水平段间隔管更换新管。
(5) 屏过出口磨损深度达0.8mm的T91管子进行补焊处理。、
(6) 屏过入口水平段间隔管磨损处补焊（管材TP347H）。
(7) 增设泄露屏等8个管圈壁温测点，以便运行中监视和控制屏过管壁温度。
(8) 其他减薄不超过10%的管子，不作更换处理，继续跟踪，待下次停机时再复查。
案例三
高温过热器爆管（氧化皮）
3月7日，某电厂2号机组接启动命令，于8时05分锅炉点火；16时20分，机组并网；23时40分，负荷300MW。
3月8日2时57分，2号机组负荷450MW开始稳定运行，A、B、C、E、F磨煤机运行，给水流量1286t/h，主汽流量1243t/h，过热器减温水流量14.9t/h，凝结水流量1052t/h，凝结水补水门开度26%，A、B引风机电流分别为185A、181A。
3月8日8时，机组负荷450MW。
8时40分，2号机组发“锅炉泄露装置报警”信号，检查“四管泄漏”装置报警点，显示32~45点泄露报警变为红色。热工人员确认“四管泄漏”装置无异常，锅炉检修确认折焰角附件有泄露声。
8时55分，锅炉A、B引风机电流突增，炉膛负压变正，A侧屏出口温度迅速下降；此时，给水流量1312t/h，过热器减温水流量74t/h，A引风机电流增至209A，B引风机电流增至210A。
由于主再热汽温、炉膛负压摆动，燃烧不稳定，锅炉投油助燃，降压运行。联系调度申请停炉。
10时25分，机组解列。停炉检查发现，2号锅炉高过发生爆管。
3月9日下午，检修人员进入炉内检查，发现从炉左数第9屏14管（从外围向内围数）、11屏1管，22屏4管入口管段爆管，爆口位置全部位于T91与TP347异种钢焊口上方约10mm的T91管道。由于高过9屏14管爆口很大，强大的气流将高过管道甩开插入到屏过9屏入口段管屏（φ38mm×5.6mm、SA-213、T91）间，有8根屏过管吹损减薄。进一步检查发生高过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材质管道颜色变黑；测量蠕胀，此6根管T91管材在靠近异种钢焊口处明显胀粗，最大处胀粗达2mm。
由于此次爆管管道比较分散，爆口均在T91管材段，且有3根管同时爆裂，爆口均呈喇叭状，胀粗十分明显，爆口边缘锋利，破口附近氧化层很薄，判断为短期过热超温爆管。
将变色较严重的一根管道下弯割下，从管弯内倒出大量氧化皮粉末，质量约为300g。
（1）经金属专家现场检查，判断为高过TP347H管段内部氧化皮脱落造成管道堵塞，管道局部短时间过热发生爆管。
（2）利用氧化物探测器对高过所有弯头和夹持管弯头进行检查（共检查591+581+200个弯头），发现高过11屏18管和30屏10管下弯头内有少量氧化皮需要进行割管处理。又对屏过4屏和高温再热器1屏下弯头进行抽查，未发现异常。
（3）由于煤质、热负荷变化，在低负荷（60%额定负荷及以下）由于部分过热管子蒸汽流量偏低，流速偏差大，可能造成局部过热引起爆管。
（4）锅炉启动过程中，过热气温上升较快，短时间超过3℃/min，氧化物很容易从过热器管壁剥离，加之在机组启动初期蒸汽流量小，不能迅速将剥离的氧化物带走，等到大流量时就会在管径较小的弯头处形成堵塞，进而发生此次2号锅炉超温爆管。
（5）根据2号机组启动后的锅炉爆管的时间分析，管道内部氧化皮大幅度脱落的时间应当发生在启动过程中。
（6）集控人员没有严格按规程规定个升温升压率来控制各项主要参数，在高压旁路工作不正常时没有正确控制汽温、汽压等主参数，没有减少燃料量，导致启停过程中汽温变化率较大。
（7）锅炉专业及集控运行人员对管材TP347H（屏过、高过、高再）氧化皮如何生成的知识，没有完整的概念，制造厂也没有对这种管材特性加以强调说明，导致运行人员缺乏必要的技术支持。
（8）运行人员在历次的启、停操作中，对参数的调整尤其是汽温的调整多次偏离规程规定。
（9）由于缺乏这方面的经验，检修部门在机组停备检修中，没有将TP347H受热面管道内部氧化皮脱落情况的检验纳入锅炉防磨防爆检查项目中，造成高过因氧化皮脱落堵塞爆管。
（1）机组启停过程中，主再热汽温温升（降）速率直接影响到氧化皮的剥落；由于氧化皮和管壁金属线膨胀系数有明显差异，所以应该严格控制主再热汽温升（降）速率。如果燃烧器采用等离子点火，为防止启动初期温升难以控制，应采取少量煤量和减温燃烧器的投入数量或锅炉投油助燃。
（2）在锅炉启动和升负荷期间，注意监视管壁温度，如发现异常，可以采取快速升降负荷变压冲管，或通过汽机旁路对系统进行长时间大流量低压冲洗，以将沉积的氧化皮冲走。
（3）加强炉膛吹灰，定期清洁炉膛，以增强炉膛吸热，降低过热器壁温。每天白班和前夜班，应保证炉膛的正常吹灰。
（4）加强主再热汽温监控调整，改善汽温调节品质。机组正常运行中要尽量避免大幅度调整减温水造成减温器后管壁温度突变。
（5）发生爆管的受热面没有安装温度测点，可在高过增设测点，方便运行人员监视。
（6）停炉后至少要进行一定时间（12h）的自然冷却，然后才可启风机进行强制冷却，避免停炉后管道内氧化皮的大幅度脱落，致使堵管。
（7）严格执行停炉必查原则，停炉时间大于3天时，要对屏过、高过管屏进行检查，发现管道有变颜色等异常情况，及时检查处理确认原因。
最近几年，新投资的国内和进口的超临界机组，都曾发生铁素体钢和奥氏体不锈钢管内壁氧化膜剥落堵管或引起超温爆管泄露事故。
应加强主业技术之间的沟通交流，学习积累运行、检修经验，采取有针对性的技术措施，避免重复发生类似事故。关于TP347H管内氧化皮脱落原因，目前没有定量的分析，国内各大金属材料研究部门正在研究分析。
针对此次发生的TP347H管道内部氧化皮脱落造成爆管，可能是由以下原因造成。
① TP347H 管为奥氏体不锈钢管，实验得知，其线膨胀系数为（1.6~2.1）×10-5,氧化物的线膨胀系数为（0.5~0.9）×10-5；
由于膨胀系数不等，管道内蒸汽介质参数变化较快时氧化物容易脱落，因蒸汽具有携带作用，少量脱落不会堵管；
但在异常工况下，如锅炉启停中升温升压速度过快、运行超温等会造成氧化皮大量脱落，堵塞管道。
② 正常温度时，氧化物一边产生一边脱落，随蒸汽带走，一般不会发生堵管。
当超温运行时就会加速高温氧化，脱落氧化皮量大幅度增加，造成蒸汽不能将脱落的氧化皮全部带走，部分沉积直至下弯头部位堵塞发生爆管。
③ 停炉过程中，由于不锈钢在运行时内壁已有大量的氧化物存在，而不锈钢和氧化物的膨胀系数相差较大，冷却时不锈钢收缩快，氧化物慢。
氧化物被挤碎，龟裂，脱落，且蒸汽携带能力降低，最终氧化物沉积至管道下部。
④ 锅炉启动时，由于不锈钢在运行时内壁大量氧化物的存在，停炉时已破碎并可能少量脱落，不锈钢和氧化物的膨胀系数虽然相差较大，不锈钢膨胀快，氧化物相对慢，氧化物破碎量小，一般不会造成氧化物大面积脱落。
升温升压速度过快时，可能导致氧化皮的大面积脱落。
⑤ 超临界机组过、再热器内壁氧化膜剥落引起超温爆管的时间，通常在机组运行10000~20000h后发生。
目前，国内因氧化膜剥落爆管最短时间的是某厂4号机组，在运行3136h（启停5次）后，过热器U行弯下部氧化膜堆积多的达100g，检修后再并网运行仅5天，又因同样原因再次发生爆管，并吹坏再热器管排多出。
⑥ 过、再热器内壁氧化膜剥落有两个主要条件：
一是垢层达到一定厚度（临界值），一般而言，奥氏体不锈钢0.10mm，铬钼钢0.2--0.5mm（运行2--5万小时可以达到）；
二是母材基体与氧化膜或氧化膜层间应力（恒温生长应力或温降引起的热应力）是否达到临界值（与管材、氧化膜特性、温度变化幅度大、速度、频度等有关）。
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