600MW机组锅炉水冷壁单管泄漏分析刘峰等

全国火电大机组（600MW级）竞赛第十届年会论文集锅炉1600MW机组锅炉水冷壁单管泄漏分析刘峰吴宝忠（天津大唐盘山发电有限责任公司）摘要：介绍了600MW机组锅炉水冷壁泄漏时炉膛的异常现象，并根据爆管的特征分析爆管的原因。同时根据节流孔的沉积物化学分析查找沉积物的来源，制定出相应的防范措施。关键词：水冷壁爆管分析防范措施1锅炉概况：天津大唐盘山发电有限责任公司选用哈尔滨锅炉有限责任公司制造的HG-2023/17.6-YM4型锅炉。锅炉为亚临界压力、一次中间再热、固态排渣、单炉膛、Π型布置、全钢构架悬吊结构、半露天布置、控制循环汽包炉。采用三分仓回转式空气预热器，平衡通风，摆动式燃烧器四角切圆燃烧。设计燃料为准格尔烟煤。6套制粉系统为正压直吹式制粉系统，配置ZGM-123型中速磨煤机。2事件发生前工况：发生事故时机组负荷为600MW，主气压力为16.5MPa，主汽温度为535℃，汽包水位正常，AGC投入，A、B、C、D、F五台磨煤机自动位置运行，其它辅机设备运行正常。16:10机组负荷600MW,主气压力为16.8MPa，主汽温度为538℃，汽包水位正常，A、B、C、D、E五台磨煤机自动位置运行，其它辅机设备运行正常。运行人员监盘发现四管泄漏监测装置上＃5、＃8、＃16点实时棒图突然升高（趋势图如下）并迅速升高且变成红色报警，在四管泄漏检测装置上监听＃5、＃8、＃16点声音异常大，经现场检查发现锅炉＃4角45米水冷壁处有泄漏声，打开附近看火孔泄漏声更大，结合“四管”泄漏在线监测确定为水冷壁爆管。全国火电大机组（600MW级）竞赛第十届年会论文集锅炉23原因分析：3.1本次爆管，爆口虽然张口并不大，但其爆口边缘减薄明显，呈撕裂状，管材向火侧整体存在胀粗，对其内外壁观察。未发现明显腐蚀，对其所取金属试样进行观察比较，鉴于爆口边缘的管材组织晶粒沿管材轴向被明显拉长变形，距离爆口一定距离处的管材组织也存在一定程度拉长变形。因此本次爆管原因是由于管壁超温引起的，而对管材背火侧组织及其相邻管材的组织进行观察比较，其组织情况完全正常。说明只是这一根管存在超温现象。因此可以排除本次超温的原因是由于烟气侧超温引起的，主要的原因在水侧。对爆管的管段内壁进行观察。未发现管壁有结垢现象，而影响换热造成管壁超温。因此造成管壁超温原因是由于管内介质水循环不畅所致。3.2由于是单管爆漏，怀疑为单管堵塞等原因导致水循环破坏。经检查锅炉下联箱发现在节流孔处有黑色沉积物，节流孔沉积物占被爆管节流孔的通径1/2左右，造成流量减少，过热爆管。3.3沉积物化学定量分析：以下为华北电科院化环所对两台锅炉下联箱内部黑色沉积物进行化学定量分析结果：化合物名称所占比例Na2OCaOMgOFe3O4CuOZnOP2O5#1炉0.0111.080.2180.060.930.737.56#2炉0.020.310.1292.324.450.780.39从化验结果分析看，#2炉的Fe3O4含量占92.23%且较#1炉高出12.26%，而氧化铜含量占4.45%且较#1炉高出3.52%。综合以上数据分析锅炉下联箱内沉积物，是因锅炉氧化膜剥落，逐渐积累而又没有得到清理及排污所致。此外，氧化铜的含量较高与凝汽器铜管腐蚀有关。从金属氧化膜形成过程及影响因素说明大致来源。3.3.1金属氧化膜形成过程：锅炉水冷壁的保护膜主要是铁氧化在金属表面形成Fe3O4，其厚度为几微米。所生成的Fe3O4其厚分两层：内层是连续的、致密的、附着性好的保护膜，外层是不连续的、多孔的、附着性不好的非保护层。Fe3O4保护膜增长过程为，首先是铁原子的离子化在钢与氧化物的界面进行，而含氧阴离子（即OH-）扩散通过氧化物层与铁离子反应，生成Fe3O4,同时放出氢子。氢原子可以扩散通过氧化物层进入锅水中，也可以直接扩散到钢中；二是铁原子失去电子生成的阳离子扩散通过氧化物层，在氧化物和水的界面与OH-反应有利于成Fe3O4，同时H+在氧化物和水的界面放电生成氢原子。这样，生成的氢原子不会扩散到钢中。而生成的氧化物比较疏松，附着性能差；三是有一部分铁原子失去电子以后，在钢与氧化物界面和通过氧化物层扩散进来的OH-反应，生成致密的附着性好的Fe3O4。另一部分铁原子失去电子以后生成阳离子，扩散通过氧化物层，在氧化物和水的界面与OH-反应，生成疏松的附着性差的Fe3O4。3.3.2影响金属氧化膜损坏因素：在运行时，如果炉水的PH值离开正常范围,将破坏Fe3O4保护膜。从各资料来看，PH值为10—12时，钢的腐蚀速度最小，此时保护膜的稳定性最高。当PH值＜8时，钢的腐蚀速度明显上升，因为保护膜被溶解，其反应为：Fe3O4+HCl—FeCl2+2FeCl3+4H2O全国火电大机组（600MW级）竞赛第十届年会论文集锅炉3当PH值＞13时,腐蚀速度明显上升,因为保护膜也被溶解,其反应式如下:Fe3O4+4NaOH—2NaFeO2+Na2FeO2+2H2O3.3.2.1影响炉水pH值的主要原因有：1）补给水和凝结水中含有的碳酸盐在锅内水解生成NaOH，局部浓缩以后形成浓的碱溶液；2）因凝汽器泄漏导致水塔的循环水进入凝结水中，降低了给水品质。氯化物随凝结水进入锅炉以后，水解产生酸。3）除盐设备管理不严，除盐再生的药品，包括HCl和NaOH漏入给水，使炉水为酸性或含游离NaOH。离子交换树脂漏入系统，或有机物进入给水，它们会在锅炉内分解产生无机强酸或低分子有机酸。4）对于高参数锅炉，如果进行炉水磷酸盐处理，磷酸盐含量过高，也会出现游离NaOH，导致碱腐蚀。5）炉水在水冷壁管内局部浓缩产生浓碱或浓酸。引起炉水浓缩腐蚀影响因素主要有以下几方面：A）炉水处理的方式；B）炉管表面状态，炉管表面沉积物越多，管壁温度越高，炉水浓缩越大，腐蚀愈严重。C）给水成分，对腐蚀影响比较明显的有：含铁量、含铜量、碳酸盐碱度、氯化物含量、pH值、溶解氧含量等。D）热负荷，炉管热负荷越高，腐蚀越严重。本锅炉采用的是四角切园布置，顶部采用反二次风。逆时针旋转，高温烟气在反二次风的作用下，烟气流动的刚性减弱，整个炉膛的充满度增加；若局布存在“死区”，烟气流动较弱热交换变差也会导致温度升高。E）锅炉运行方式，在满负荷运行时，可能腐蚀不严重，当转入调峰负荷时，锅炉腐蚀会加速。因为经常启停和低负荷运行，水质条件变差，给水溶解氧和铜铁含量将增加，这些都促进腐蚀。此外超负荷或变负荷运行时，炉管内金属温度发生变化，管内水的蒸发状态发生变化，由核态沸腾变为膜态沸腾，管内形成汽塞，使炉水浓缩程度增加，腐蚀加快。F）水循环状况，水流速度大小直接影响介质浓缩腐蚀，流速过小，可能在管内产生汽塞或加速沉积物的沉积，使腐蚀加快。若流速过快会产生涡流，有利于铁的氧化物沉积，加速腐蚀。3.3.3在本次化验中氧化铜的含量较#1炉高，从分析来看主要来至凝汽器的铜管腐蚀。铜管腐蚀的产物是Cu（NH3）42+，一旦铜离子进入锅炉受热面而沉积在管壁上，便会产生电化学腐蚀而损伤炉管，其化学反应式为：Cu（NH3）42++Fe+2OH-Cu+Fe（OH）2+4NH3将导致氧化膜脱落，脱落的氧化膜主要成分为有磁性Fe3O4。在水冷壁的节流孔处吸附逐渐积累，导致节流孔的通流面积减少，发生水冷壁管水流量减少，经一段时间运行会造成长期超温蠕变损坏，这也是一个主要原因。而凝汽器铜管腐蚀损坏除直接危害凝汽器管材损失外，更重要的是由于锅炉给水水质要求高，水质缓冲小，因此一旦凝汽器铜管泄漏，冷却水漏入凝结水，恶化凝结水质，将造成炉前系统、锅炉受热面及汽轮机的腐蚀与结垢。3.4氧化膜增长到一定程度后，会在膜内产生应力，促使氧化膜破裂，导致氧化膜与金属分离，周围的氧气直接侵入内部与金属反应，形成破裂氧化。在实际氧化过程中，启停和负荷变化所引起的冷热交变应力和外部力的作用也是造成氧化膜破裂的重要原因。3.5事实上金属在高温条件下使用时，形成的氧化膜在冷热交变应力的作用下，会造成氧化膜产生明显的破裂或剥离倾向。一般金属的膨胀系统大于氧化物的膨胀系数，在冷却时氧化膜内发生压应全国火电大机组（600MW级）竞赛第十届年会论文集锅炉4力，该力是造成氧化膜破裂并与基体分离的主要原因。对于实际使用的金属，无法使其不发生氧化膜破裂和剥离现象，只要能保证氧化膜破裂后在较短的时间内基体金属能再次形成新的氧化膜即可。4防范措施：1）加强化学监督，针对沉积物形成机理，有针对性制定防范措施，并写入运行规程。2)加强启动初期低参数下炉底排污。现锅炉下联箱的炉前设计有一个放水管，管径为φ168×22，主要是停炉放水用；下联箱在炉后侧设计排污用，管径为φ76×10，在第一个弯头前面为制造厂设计，而后面的部分由华北电科设计。整个排污管至一次门前总共九个弯头，不利于排污。鉴于此，将排污进行改造满足锅炉运行中排污的需要，同时也对二次门后的管道进行改造，防止由于管道等级不够发生事故。3)根据“电站锅炉压力容器检验规程”规定要定期对下联箱节流孔板进行的检查。现做到停炉必查，并列入标准检修项目。4)加强对“四管”泄漏报警装置历史趋势的点检。5)继续控制及监督好机组水汽品质，使凝结水必须100%通过水处理。6)加强启动前的冷态冲洗及锅炉点火后的热态冲洗，强化监督标准的控制。7)做好每次检查及清理的详细记录，找出规律性，探讨改选炉低排污系统可能性。8)与制造厂联系核算节流孔的直径。9)利用停炉期间对炉内动力场进行校核。10)保持锅炉受热面的良好状态，包括两方面：一是表面清洁；二是表面形成良好的保护膜；11)减少给少的铜铁含量，为了降低给水铜铁氧化物的含量，必须防止给水系统的氧腐蚀，减少凝结水系统、疏水系统氧腐蚀和二氧化碳腐蚀。同时要防止设备停用时的腐蚀及腐蚀产物带入锅炉内。要采取措施防止炉外水处理系统的腐蚀，以减少补给水的含铁量。此外要注意防止凝汽器铜管和加热器铜管腐蚀，以降低凝结水和给水的含铜量，可以不定期地对给水的铜含量进行监测。12)保持锅炉正确的运行方式，主要指保持锅炉负荷稳定，而负荷稳定燃烧必须稳定。同时尽量减少启停次数。13)降低给水的腐蚀性成分，这主要从防止介质浓缩腐蚀的角度考虑，应当控制给水的碳酸盐含量、Cl-的含量和pH值。14)选用合理的炉水处理方法。15)对除氧器的连续排气情况进行监测，加大连续排气量，最大限度地降低不凝结气体的含量。16)做好停炉保养，根据停炉的时间长短采取相应的防腐方法。综上所述，通过对锅炉下联箱沉积物产生的原因分析，并制订相应的防范措施。由于此类情况引起的爆管是可以避免的，这也要求各专业之间应加强联系。同时对各类重要参数应严格控制指标，必须合格，只有这样才能保证机组长周期安全稳定运行。全国火电大机组（600MW级）竞赛第十届年会论文集锅炉5参考文献[1]岑可法等“大型电站锅炉安全及优化运行技术[J]中国电力出版社2003。[2]龚洵洁“热力设备的腐蚀与防护”[J]中国电力出版社1998。[3]检测报告“HX1原子吸收—032—2004”华北电力科学研究有限责任公司化环部[4]中华人民共和国国家发展和改革委员会“电站锅炉压力容器检验规程”DL647—2004中国电力出版社出版2004[5]黑龙江省电力科学研究院《国产优化600MW机组技术资料汇编》[6]孙本达《锅炉化学监督技术》[7]黄新元编著《电站锅炉运行与燃烧调整》中国电力出版社2003[8]刘瑞堂编《机械零件失效分析》哈尔滨工业大学出版社2003