单诗剑,王子豪,刘有龙,孟繁琦,单思珂,刘 忠

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院,北京 102206)

摘 要:对某电厂循环流化床锅炉水冷壁的鼓包爆管事故进行了化学成分、力学性能、金相检验 和能谱分析,结合管道及联箱检查对失效管道进行数值模拟。结果表明:失效管道的化学成分和力 学性能均符合标准要求,金相检验结果也未见明显异常;在管道及联箱中发现了异物堵塞和多处鼓 包现象,数值模拟、强度校核证实了异物堵塞是造成爆管的直接原因,同时发现失效管道堵塞时向 火面的局部温度为550~730 ℃。

关键词:锅炉水冷壁;爆管;异物堵塞;数值模拟

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)06-0066-04

锅炉受热面是锅炉热量交换的载体,其长期处 于高温、高压的工作环境,容易受到各种因素的影响 而出现失效现象。据统计,在锅炉的失效事故中, 70%均为受热面失效[1]。受热面失效的主要原因有 长时或短时温度过高、腐蚀、疲劳、结垢、磨损等,且 这些失效的受热面都有较为明显的特征和失效机 理[2],大量文献对这些受热面失效的原因进行了分 析[3-7],但对于异物堵塞造成的受热面失效的研究 较少。

某电厂发生爆管的锅炉为 CFB(循环流化床) 锅炉。水冷壁爆管口位于该锅炉前墙,水冷壁管设 计材料 级 别 为 SA210A-1 级,规 格 为 50.8 mm× 4.19mm(外径×壁厚),水冷壁工质进口压力为13 MPa,进口温度为292℃,爆管前水冷壁管已累计运 行了63571h。 由锅炉车 间 提 供 的 数 据 可 知:该 锅 炉 近 半 年 未 发 生 过 超 负 荷 运 行,半 年 平 均 负 荷 率 为 74.85%;锅炉给水为母管给水,切泵时未发生过给 水压力不足 的 现 象;锅 炉 水 冷 壁 管 无 壁 温 监 测 系 统;锅炉底部 床 层 和 炉 膛 烟 气 出 口 处 设 有 温 度 监 测系统,底部床 层 温 度 为 850~910 ℃,炉 膛 烟 气 出口处温度约为880 ℃。

为查明该锅炉水冷壁爆管的原因,笔者对失效 管及其相邻管进行了理化检验,并对传热过程进行 了数值模拟。

1 理化检验

1.1 宏观观察

爆管现场照片如图1所示,其中 b管为失效管 道,a,c管为其相邻管道。对水冷壁外管墙面进行 观察,发现在爆口处附近外墙面的红棕色保护墙变 黑,这是因为炉管外墙面遇到爆管泄漏的水后在高 温下变黑,观察外墙面并没有明显腐蚀或者磨损现 象,表明烟气侧未发生故障。与爆管相邻的 外壁存在明显的沟槽状冲刷痕迹,靠近爆口侧 a, 的 c管 沟 槽边缘较为圆滑,远离爆口侧的沟槽有明显棱角,说 明沟槽是b管泄漏后工质向两侧冲刷引起的。

爆口的宏观形貌如图2所示,由图2可知:爆口 位于水冷壁管向火面,经测量,爆口长为60mm,宽 为25mm,呈喇叭口状,边缘明显减薄,爆口略偏离 管子中心轴线,整体呈塑性开裂特征,爆管外表面无 明显冲刷痕迹,同时内、外壁氧化皮厚度较薄,且在 爆口附近没有看到平行于爆口的纵向裂纹。进一步 对爆口边缘进行壁厚测量,在爆口上侧沿顺时针方 向 测 量 一 周,发 现 爆 口 边 缘 的 最 小 壁 厚 仅 为 1.2mm,位于左侧凸起的中间部位。

对b管爆口部位及c管的相同位置取样进行剖 管检查(见图3),由图3可知,b管向火面内壁存在 明显的氧化皮剥离痕迹,有氧化皮脱落留下的凹陷 和孔洞,c管向火面内壁呈红棕色,表面较为光滑, 无腐蚀迹象

1.2 化学成分及力学性能测试

b管的化学成分如表1所示,符合标准 ANSI/ ASTM A210—1996《锅炉和过热器用中碳素无缝 钢管规范》的要求。在b管距爆口处上、下未鼓包区 域各截取一段炉管,以加工力学性能试样,分别对向 火面和背火面进行力学性能测试,结果如表2所示。 测试结果表明,这些部位的断后伸长率、屈服强度、 抗拉强度、硬度等均符合标准 ANSIASTM A210/ A210M 的要求。

1.3 金相检验与能谱分析

b,c管的显微组织如图4所示,由图4可知:爆口处为正常的铁素体+珠光体,珠光体球化程度为 2.5级,未出现魏氏组织或贝氏组织,说明在爆管前 温度未达到 SA210A-1 钢 的 临 界 温 度 730 ℃。同 时,珠光体呈与爆口方向一致的纵向线性分布。b 管远离爆口处微观形貌和c管的微观形貌都为正常 的铁素体+珠光体,由于炉管长时间运行,因此也存 在2.5级的轻度球化现象。

b,c管内壁产物的能谱分析(EDS)结果如表3, 4所示,由表3,4可知:b管内壁产物主要含有铁、氧 元素,还有少量碳、钙等元素;结合 X 射线衍射仪对 b管及c管内壁产物进行成分分析,发现 b管内壁 产物主要为Fe3O4,c管内壁产物主要为Fe2O3。由 于没有发现大量氯离子和磷酸根离子,且在以往的 水质检测记录中,炉水的pH 为9~11,因此排除了 给水品质不合格的影响。

1.4 管道和联箱检查

在对管道其余部位进行检查时,发现 b管和未 爆炉管的向火面均出现鼓包现象(见图5)。对b管 所在的下联箱进行内窥镜检查,发现在周围水冷壁 管入口处卡着一块异物(见图 6)。异物尺寸约为 40mm×40mm×20mm,其主要成分为 CaCO3 和 Ca3(PO4)2。

2 基于FLUENT软件的传热模拟分析

2.1 传热过程

传热过程大致分为以下3个部分。

(1)炉膛内部高温烟气对水冷壁壁面的传热。 发生爆管的是水冷壁管,因为烟气流速较慢,对壁面 的对流换热量不大,主要以热辐射为主。有研究表 明:水冷壁热辐射产生的换热量占总换热量的95% 以上[8],因此在模拟时只考虑壁面热辐射的影响,换 热量主要取决于炉内烟气的温度。

(2)炉管内壁的热量传递方式为热传导,其速 率与炉管材料的导热系数有关。

(3)水冷壁管壁内部工质的传热情况较为复 杂,受固体物堵塞的影响,既有工质与管道、工质与 堵塞物的对流换热,也有堵塞物与内壁面的热传导, 同时堵塞物的具体形状和其在内壁中的堵塞情况也 不明确。

2.2 传热模型及边界条件

对外径为50.8mm,壁厚为4.19mm 的管道及 其实际鳍片进行建模,对堵塞异物进行等体积简化, 同时模拟爆管时异物卡住的情形。在炉管内壁与固 体堵塞物接触面处,由于接触面积较小,因此将堵塞 物与接触面的接触状况简化为点与面的接触,管道 传热模型如图7所示。

水冷壁的进口压力设置为13MPa,进口温度设 置为292 ℃,出口为自由出口。流化床炉内温度低 于一般锅炉,由温度检测系统可得,底部床层温度为 850~910 ℃,炉膛烟气出口处温度约为880 ℃,因 此设定水冷壁及其鳍片的向火面一侧为受热壁面, 其热量来自于880 ℃的热辐射。

2.3 模拟结果

炉管稳态时的温度分布数值模拟结果如图8所 示,由图8可知,炉管向火面的温度为559~879℃。 当水冷壁温度为 550 ℃ 时,其 对 应 的 许 用 应 力 为 12.7MPa [9],小于水冷壁的工作压力 13 MPa。即 在异物堵塞的局部范围内,由于这部分壁面温度升 高,因此其受到的应力大于许用应力。

3 综合分析

原 结合内壁产物成分分析与水质 pH 检测,爆管 因并非为给水品质不合格。b管向火面爆管处的 氧化皮脱落,其他管壁表面较为光滑,b管内壁产物 主要为 Fe3O4,其他管壁内壁产物主要为 Fe2O3,这 是因为向火面局部高温导致致密的 Fe2O3 氧化层 转化为疏松多孔的 Fe3O4 氧化层。

根据强度校核及数值模拟结果,可推测爆管时 爆口附近向火面温度超过550 ℃,综合推测爆管时 向火面温度为550~730 ℃。

结合数值模拟可知:异物存在于炉水循环管道 中,随着工质的流动,在可能位置发生堵塞现象,而 堵塞造成炉水流通不畅,管壁局部温度过高导致工 作压力超过 550 ℃ 时,对应温 度 下 的 许 用 应 力 为 12.7 MPa,在压力及堵塞物的共同作用下,炉管出 现鼓包现象,炉管管壁壁厚减薄,管内体积增大,异 物脱离并滚落至下一个堵塞点,循环这个过程,直到 炉管管壁承受不住压力发生爆管。

4 结论

(1)爆管的化学成分和力学性能均符合标准要 求;内壁产物的化学成分与水质检测记录表明爆管 原因与给水品质无关。

(2)爆管和其他管道均出现鼓包现象,且在下 联箱的管道入口处发现有固体异物堵塞,故推测固 体堵塞物是造成这次爆管的根本原因;异物堵塞后 的工质流通不畅,引发的局部温度过高以及堵塞物 对管道挤压作用是造成这次爆管的直接原因。

(3)结合上述理化检验和传热模拟分析,可发 现管道局部温度对应的许用应力低于工作压力,证 实了这次爆管原因为异物堵塞。

参考文献: [1] 赵广羽,侯春江,沈立宏,等.基于大数据平台的锅炉 主要受热面故障诊断及预警系统研发[J].长江信息 通信,2021,34(6):76-78. [2] 沈美华,祝新伟,潘金平,等.电站锅炉热管常见泄漏 原因及主要特征[J].理化检验(物理分册),2013,49 (8):533-537. [3] 曾令大,张开利,陈启卷,等.超临界锅炉蒸汽侧氧化 皮生成原因与对策[J].中国电力,2010,43(12):46- 50. [4] 林少文,胡平,钟万里,等.广州发电厂5号锅炉水冷 壁爆管原因分析[J].广东电力,2002,15(3):69-71. [5] 吴跃.超超临界机组水冷壁管失效分析[J].热处理, 2021,36(5):57-60. [6] 谭晓蒙,张涛,乔欣,等.电站锅炉水冷壁管氢腐蚀失 效分析[J].内蒙古电力技术,2020,38(5):68-71. [7] 张冰清,田进,张志博,等.火电厂锅炉水冷壁管失效 原因分析[J].热力发电,2019,48(5):97-101. [8] 汤鹏杰,姜勇,巩建鸣,等.某热电厂20G 钢锅炉水冷 壁管鼓 包 的 原 因 [J].机 械 工 程 材 料,2016,40(1): 101-105. [9] 董嵇.ASME锅炉及压力容器规范 第Ⅱ卷 D 篇 应力 表的查阅及应用[J].余热锅炉,2006(2):33-38.