煤粉炉水冷壁管开裂原因分析及对策

苏小华

摘要：在锅炉机组的正常运行过程中，水冷壁管长期运行在高温烟气和水蒸气、火焰、飞灰等恶劣的环境中，结焦、磨损、腐蚀、破损等类型的缺陷会引起水冷壁管爆管，容易引发泄露和爆管等严重的锅炉安全事故。一旦产生泄漏和爆管事件，只能采用强制停炉的方法，对锅炉机组进行修理，影响火电厂的安全生产，给电厂造成较大的经济损失。

关键词：煤粉炉；水冷壁管；开裂原因；对策

1水冷壁介绍

该公司锅炉由四川华西能源制造的型号为HX-200/9.81-M-II1的自然循环煤粉炉。水冷壁分布在炉膛四周，作为锅炉燃烧的直接辐射受热面，水冷壁对省煤器中初步加热的水充分加热可形成达500℃左右的水汽混合物。随后，高温水汽混合物进入汽包实现汽水分离，分离后的蒸汽进入过热器进行进一步加热。在现阶段的锅炉中，炉膛由全焊接式膜式水冷壁围绕一圈形成，为了保证煤粉燃烧形成高温烟气热量的吸收，一般炉膛截面为方形。该公司锅炉水冷壁分成 12 个循环回路，前、后、侧四面各 3 处回路。锅水从锅筒引出经下部集中下降管后由 28 根 Φ133×10mm 和 8 根 φ159×12mm 的连接管分别引到前、后与两侧水冷壁的下集箱；汽水混合物由 30 根 φ133×10mm 和 8 根φ159×12mm 的汽水连接管引入锅筒。合理划分回路，选用较大的下水连接管，汽水连接管和集中下降管与上升管的截面比使锅炉的水循环系统具有较大的安全裕度。整个炉膛为悬吊结构，全部重量均通过上集箱吊于顶板上。炉膛设置了膨胀中心，可确保受热面自由膨胀。为保证水冷壁管向下膨胀的一致性，各吊点标高均相同。针对于该段水冷壁，其服役环境为炉膛内部高温烟气及火焰，外部由保温棉包裹，管道内部是流动的水汽混合物，在该服役环境下，共有三种热传递形式。1）热传导：热量由水冷壁向火面传递到内壁，热传导存在于固体内部。2）热辐射：煤粉燃烧形成的高温烟气对水冷壁向火面的热量传递。3）热对流，又称对流传热：包括高温烟气与水冷壁受火面的对流换热以及水冷壁内壁与管内工质的对流换热。

2煤粉炉水冷壁管开裂原因分析

2.1水冷壁管表面结垢

锅炉内部环境恶劣，水冷壁管在作业时易产生各类缺陷，其中，内壁主要是酸、碱以及垢下腐蚀，表现为腐蚀坑与壁厚降低；外壁主要为高温腐蚀与机械磨蚀，表现为壁厚降低、腐蚀坑以及周向的裂纹及划痕；另外，管壁由于长期受热，可能会出现轴向张裂。

2.2凝汽器的泄漏

凝汽器一般采用外部自然界水源作为冷却源，水源中含有大量杂质和盐分，一旦凝气器泄漏这些杂质和盐分就会进入冷凝水系统，导致水冷壁出现各种磨损，大大增加水冷壁管内结垢的速度并间接影响现场的经济效益，造成水冷壁管爆裂。这些水中的杂质主要有泥沙等，盐分主要为钾、镁等物质。

2.3锅炉炉膛内结焦

煤粉锅炉对煤粉与空气的混合比例要求十分严格，比例不合适会造成煤粉燃烧不充分、出现结焦现象，而结焦又会阻碍出风口、使风速变低，这时直接与燃气相接触的水冷壁管就会因为局部温度过高而发生介质浓缩腐蚀，腐蚀会产生大量的气体引起氢腐蚀导致水冷壁管局部变脆，发生管壁爆裂。

3煤粉炉水冷壁管开裂的预防对策

3.1使炉膛内壁受热均匀

为保持炉膛内壁受热均匀，就需要保持炉膛内壁的清洁并在炉膛内壁表面形成保护膜。保持炉膛内清洁，就要严格控制锅炉内壁制造、安装和使用时的状态，当表面清洁程度不良时应及时进行清洗，使炉膛表面时刻处于清洁状态，以减少表面沉积现象。（1）酸洗工艺。由于锅炉内的水为碱性，产生的结垢在酸洗时能够容易的去除，但酸洗应综合考虑经济与安全因素，进行整体酸洗前，应先进行局部试验，试验通过后才能进行整炉的酸洗，并按下列步骤进行：水冲洗→盐酸酸洗→水冲洗→清渣→水冲洗→漂洗→钝化→热炉排放酸洗结束。（2）酸洗范围及系统布置。除了过热器，煤粉锅炉的其他部分均应进行酸洗。酸洗溶液分两路进入炉膛内循环：一路酸洗溶液先进入省煤器再进入汽包，另一路酸洗溶液先进入水冷壁再进入汽包，然后在汽包内经由水冷壁下集箱返回初始位置。

3.2控制煤粉细度

煤质中的硫含量和碱金属含量较高是发生高温腐蚀的最直接因素，因此降低入炉煤的硫、碱金属及其氧化物的含量是缓解高温腐蚀的最有效方法，但燃料含硫量越低，燃煤价格就越高。出于经济性考虑，该措施很难在电厂有效实施。目前我国电煤含硫量普遍偏高，多数电厂大于1%，有的甚至达3%～5%。研究显示当燃煤中的Sar高于1%时，煤中的FeS2以及燃烧过程中产生的游离、H2S及其氧化物等腐蚀性产物达到一定浓度，水冷壁的高温腐蚀问题就比较严重。同时燃煤中碱金属的氧化物易导致硫酸盐型高温腐蚀。控制煤粉细度，一方面可降低大颗粒煤粉对水冷壁管的冲刷，破坏水冷壁保护膜形成高温腐蚀;另一方面可使煤粉在炉内充分燃烧，从而避免形成还原性气氛产生高温腐蚀。采用腐蚀抑制剂，近年部分电厂开始在燃料中添加腐蚀抑制剂。其中包括ZDM型添加剂，FS－1型固硫剂。目前通过该方式减少高温腐蚀还未能在我国发电领域得到普遍利用，国外已利用该方式取得较好的成果。

3.3提高凝汽器密封性、防止凝汽器泄漏

（1）对泄漏的凝汽器管进行堵漏处理，对凝汽器汽侧进行清理，防止再次启机后凝结水受到汽侧残留污染源的影响。（2）对水冷壁进行化学清洗，并对化学清洗后的水冷壁管进行腐蚀情况的检查及验收。（3）后续运行中应至少保证凝泵出口氢电导的准确性，结合钠离子、硬度及其他相关指标，第一时间判断凝汽器是否存在泄漏并及时处理。（4）如果凝汽器堵漏后，在加药量充足的情况下，高压汽包高负荷磷酸根低、pH值高、炉水硅居高不下，不排除在前面的运行中发生了磷酸盐隐藏，酸洗水冷壁时也应对高压汽包进行酸洗，后续以低磷酸盐方式运行。

3.4改进水冷壁管缺陷检测技术

锅炉水冷壁管爆管等事故对锅炉的安全运行影响严重，预先开展锅炉水冷壁管道无损检测对于锅炉水冷壁管安全运行至关重要。本文介绍了当前常用的无损检测方法，重点阐述了最适合水冷壁管的无损检测技术——电磁超声检测，尤其是电磁超声复合式检测技术。随着现代智能技术的不断发展，未来锅炉水冷壁管检测技术研究将在如下方向不断深入：1）集成化设备的应用。水冷壁管道的复合式检测技术仍处于实验室阶段，大多数的集成方式为传感器结构的复合，距离复合式传感器的参数设计仍有较远的距离；复合式检测技术的数据处理仍需要不同的检测系统，从而造成了集成化设备的体积庞大，难以实现自动化检测。如何实现符合传感器的参数设计以及检测数据的融合处理是未来集成化设备的重要研究方向。2）缺陷的直观化。实现缺陷的直观化，可以更好地完成管段缺陷维护或更换，当前的无损检测技术可实现缺陷的大小与种类的检测，但对于缺陷的量化与成像还未能做到。3）耐高温。锅炉内部温度很高，定期检测时需冷却至常温才可进行，严重影响了检修进度。因此，通过提高无人设备与检测设备的耐温性，可以有效加速检修进度，从而实现发电设备的高效利用。

4结束语

随着经济社会的不断发展和发展，锅炉制造工艺更加完善，水冷壁管破裂引起的故障得到了进一步重视。本文分析了导致煤粉锅炉水冷壁管开裂的原因，并给出针对性的解决策略：一是使炉膛内壁受热均匀，二是控制煤粉细度，三是提高凝汽器密封性、防止凝汽器泄漏，四是改进水冷壁管缺陷检测技术。上述策略的有效实施，能够大幅降低腐蚀现象，延长水冷壁的使用寿命，提升热电站的安全性和用户的经济性。

参考文献

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