薛建立
摘要：锅炉“四管”是指水冷壁管、过热器管、省煤器管和再热器管，锅炉“四管”由于种种原因发生的爆漏问题给热电厂带来了严重的损失。本文立足锅炉“四管”爆漏的原因，分析预防锅炉“四管”爆漏的措施，希望能为热电厂的正常运行贡献力量。
关键词：锅炉“四管” 爆漏原因 预防措施
随着经济全球化的发展，我国的科技和经济实力显着增强，我国的热电厂在处理锅炉“四管”爆漏的问题上已取得了前所未有的进展，为进一步提升我国锅炉“四管”的使用寿命，节约热电厂运行的成本，对我国热电厂在运行过程中的锅炉“四管”的爆漏问题的原因分析和预防措施的提供尤为必要。
1 锅炉“四管”爆漏的原因分析
造成锅炉“四管”爆漏的原因是多方面的，这些原因导致的锅炉“四管”爆漏的危害也不尽相同。具体来说，锅炉爆漏的原因可以归纳为以下几个方面：
1.1 高温过热 锅炉高温段过热器管和再热器管长期处于高温过热状态导致的爆漏问题是锅炉“四管”爆漏的主要问题。从历年记录的锅炉“四管”爆漏的原因数据可以看出，由于金属处于高温状态而导致的锅炉“四管”的爆漏所占的比重高达百分之三十五，高温过热是爆漏的主要原因。
过热器和再热器是锅炉承压受热面中工质温度和金属温度最高的部件，而汽侧换热效果又相对较差，所以过热现象多出现在这两个受热面中。受热面过热后，管材使用温度超过该金属允许使用的极限温度，使金属发生内部组织变化，降低了管材的许用应力，管子在内压力下产生塑性变形，使用寿命明显降低，最后导致超温爆破。
高温过热导致的锅炉“四管”的爆漏有两种，长期过热和短期过热，但两种爆漏管道又有一定的相似性。长期过热是指管壁温度长期处于设计温度以上而低于材料的下临界温度，超温幅度不大但时间较长，锅炉管子发生碳化物球化，管壁氧化减薄，持久强度下降，蠕变速度加快，使管径均匀胀粗，最后在管子的最薄弱部位导致脆裂的爆管现象。长期超温爆管主要发生在高温过热器的外圈和高温再热器的向火面。长期过热爆管的破口形貌，具有蠕变断裂的一般特性，管子破口呈脆性断口特征，爆口粗糙，边缘为不平整的钝边，爆口处管壁厚度减薄不多。
短期过热是指当管壁温度超过材料的下临界温度时，材料强度明显下降，在内压力作用下，发生胀粗和爆管现象。短期过热常发生在过热器的向火面直接和火焰接触及直接受辐射热的受热面管子上。爆口塑性变形大，管径有明显胀粗，管壁减薄呈刀刃状；一般情况下爆口较大呈喇叭状；爆口呈典型的薄唇形爆破；爆口的微观为韧窝（断口由许多凹坑构成）；爆口周围管子材料的硬度显着升高；爆口周围内、外壁氧化皮的厚度，取决于短时超温爆管前长时超温的程度，长时超温程度越严重，氧化皮越厚。
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图1
具体来说，发生短期受热爆漏时，因为管内水汽和水的比重分布不均；锅炉部分区域受热强度过大；管道内部流通不畅等。管内水汽和水的比重分布不均使得锅炉的正常运行受阻，由于运行不畅导致的锅炉的管道爆漏是热电厂爆漏事故中发生频率较高的事件。锅炉部分区域受热强度过大，使得锅炉管道的材质由于受热超过材质的正常受热范围而发生的材质应力的下降，管道发生变形而爆漏。管道内部流通不畅的原因是多方面的，例如水流内部富含的矿物质在长期加热的过程中形成水垢，堵塞管道，使得管道运行的流畅度受阻。
某电厂锅炉为WGZ1004/18.34-1型， 2012年2月7日高温过热器爆管紧急停机，检查发现A侧第一排从外圈至内数第五圈炉前入口管，距底部弯头约2米处迎风面呈现喇叭状爆口，如图2所示。该管从爆口处折弯并向炉后甩出约2米，将内侧第6、7、8圈底部弯头上方挤压变形，爆口附件约四根管子表面吹损减薄。该管段材质为SA213-T91，规格为Φ54×8。
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停炉后，取该管及相邻第六圈入口管共2根管子，进行了相应的试验分析。从试验结果分析得知，管样的化学成分符合标准要求，爆口边缘较为锋利，爆口处明显胀粗，管壁厚度沿圆周方向至爆口边缘均匀减薄，呈现明显的塑性，符合短时过热爆管特征。从金相组织及力学性能分析来看，爆口组织劣化严重，碳化物析出并长大，爆口附近分布着密集的纵向细裂纹，在高温蒸汽及烟气的作用下，管子内外壁有氧化皮生成，力学性能明显下降，这些均为长时高温运行特征，说明管子在爆管前曾出现长期高温运行状态。在随后的清洁度检查中发现，管子内部存有异物，造成管子内介质流量减小，管子壁温上升，使管子在高温下的环向应力超过其材料本身强度而发生爆管，爆管产生的直接原因为管路堵塞造成短时超温。
在长期的实际工作中，还发现了由于管材和焊接的原因造成的过热损坏。第一类为管材质量较差或者错用管材。第二类为管材的焊接质量较差。管材质量较差是指管材本身的层次较多，管材母体中含有大量的杂质，这两个方面的原因使得管材的强度减弱，在长期高温的作用下，发生膨胀导致管道爆漏。
2014年新疆某电厂#2机组（30万千瓦）运行中主蒸汽门前疏水管道爆裂，机组被迫停机。经初步检查分析原因为基建期用错管材，造成设备损坏。原设计管材为12Cr1MoV，实际使用的为20#碳钢。
管材的焊接质量较差是指管材在制造和维修的过程中，由于焊接质量不过关，焊缝中存在较多的气泡、杂质和焊瘤，这些缺陷造成管道与管道相接的部位相对脆弱，当温度升高，管道的这些部位会随着拉伸力到达一定程度时，管道的焊缝熔合处因存在大量粗大的魏氏组织和非金属类杂质而致使管道爆裂。
1.2 磨损减薄 据不完全统计，磨损造成的锅炉“四管”的爆漏问题占总爆漏问题的比重为百分之二十五，是仅次于高温过热的重要爆漏原因。
通常情况下，磨损爆漏有两种属性，第一种属性为飞灰磨损，第二种属性为机械磨损。在这两种属性的磨损过程中，飞灰磨损占据主导地位，但是机械磨损亦是不可忽视的引发磨损爆漏的原因。
飞灰磨损主要发生在锅炉尾部受热面，尤其是低温再热器、省煤器管的磨损引起的爆漏问题。由于其所处的位置关系，烟气温度较低，烟气中的飞灰颗粒随着温度的降低硬度逐渐变大，飞灰对其不断的冲刷，管子的冲刷磨损十分严重，在这种情况下，这些部位的管排磨损严重，应当引起足够的重视。
飞灰对受热管道的磨损主要发生在第二、第三两排。受热管道的排与排之间是交叉配置的，第一排管充当的是过渡管的作用，其烟气运转速率相对较低，飞灰对管道的冲击和摩擦力相对较小。第二、第三两排管是受热管道主力军，其烟气运转速率的提高因布置管道使得烟气流通横截面积减小。这两个方面的原因使得管道受飞灰的撞击和摩擦度增加，管道在长期的磨损中出现变薄和管道爆漏的问题。此外，受热管道较为曲折的部位也是管道爆漏的高发地段。由于燃煤中的含灰量较高，燃煤在通过受热管道的曲折部位时，受离心力使然，飞灰在管道曲折处容易出现堵塞或撞击管道的问题，受这种情况的影响，管道的使用寿命较短。
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某电厂1号锅炉型号为WGZ2080/17.51-1，于2007年1月7日投产，2012年5月4日，标高20米处水冷壁处有轻微泄漏声，#1机组停运。停机后检查，发现#2角底部靠后墙从里往外数第7根管弯头处向火面有两个尺寸约1mm左右的漏点，发生泄漏的水冷壁管材料为SA-
210A-1。泄漏部位及周围的宏观形貌如图4所示。
从现场情况看，水冷壁管泄漏点有明显的冲刷磨损痕迹，漏点及周围管壁减薄严重，属于明显的受冲刷减薄后爆破所致。当水冷壁弯管上面的不锈钢挡风板被带灰的热二次风（热二次风从空预器带出大量飞灰）冲刷减薄后，热二次风直接对水冷壁管冲刷，造成水冷壁管逐渐磨损减薄，最终发生泄漏。
由于喷燃器附近的水冷壁让位管完全裸露在喷燃器的周围，二次风通过喷燃器周围的间隙直接冲刷在水冷壁让位管表面。燃烧器喷口侧边与水冷壁之间为较长的矩形烟气通道，同时由于夹隙处容易形成“烟气走廊”，使得喷燃器与水冷壁间隙出口风速急速增加，加剧二次风冲刷磨损水冷壁管壁。此次水冷壁泄漏是热二次风道底部角部进来的热二次风吹损所致。热二次风从风道内行进到喷口前时，通流面积相对变小，风向发生急剧偏转，容易在角部区域轻微节流并做旋流运动，造成该区域管子磨损加剧。
机械磨损是发生在“四管”固定装置失效，管排摆动、振动而引起交叉布置的管道互相摩擦的部位。机械磨损在经过长时间互碰磨擦而造成的承压管道减薄爆漏，这种磨损造成的爆漏问题较其它原因造成的爆漏问题更加难于发现，但是其一旦爆漏，同样会严重影响热电厂的安全运行。
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1.3 其他原因（腐蚀、应力） 锅炉“四管”还会遇到腐蚀和应力的破坏。
对锅炉炉内管来说，腐蚀分为内部腐蚀和外部腐蚀。内部腐蚀主要来自于汽水中的杂质及氧化物。外部腐蚀又分为高温腐蚀和低温腐蚀。
高温腐蚀又称为煤灰腐蚀，是指高温积灰所生成的内灰层含有较多的碱金属，它与飞灰中的铁铝等成份以及烟气中扩散进入的氧化硫长时间化学作用便生成了碱金属的硫酸盐等复合物。融化或半融化的碱金属硫酸盐会与管子金属发生强烈的氧化反应，使壁厚减薄难以克服应力引起管子的变形和爆管。
某电厂锅炉型号为DG-2102/25.4-Ⅲ，2012年12月15日，检查发现#2炉30米处水冷壁中间炉衣内有蒸汽冒出，确认为#2炉左侧墙标高28米中间部位螺旋水冷壁发生泄漏，泄漏部件规格为Φ38.1×7.5mm，材料为SA213-T2。
爆管原因：水冷壁管子泄漏点形貌如图6所示，三根水冷壁存在多处泄漏点，其中一根水冷壁管在其泄漏点上部鼓包开裂，开裂长度约24mm。泄漏水冷壁附近留存着较厚的硫腐蚀产物，水冷壁腐蚀后测厚值最低约4.6mm，减薄约2.9mm。从宏观形貌可见，本次水冷壁泄漏的原因是：螺旋水冷壁高温硫腐蚀减薄严重，运行压力超过所能承受的上限造成泄漏，泄漏蒸汽互相吹损造成泄漏点不断增多。
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通过对左右两侧墙水冷壁进行扩大检查，腐蚀情况基本类似，标高25～30m范围内水冷壁腐蚀严重，中间腐蚀最重，测量壁厚在4.3～4.6mm，向前后墙方向腐蚀程度有所减轻，距侧墙中心2m处测量壁厚4.7～5.2mm。到标高25m侧墙水冷壁管壁厚达到5.0mm以上，再向下腐蚀程度逐渐减轻。水冷壁管子受高温硫腐蚀情况如图7所示。
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产生严重硫腐蚀的原因：机组大修以来，负荷一直较低，上层燃烧器绝大多数时间处于不运行状态，没有二次风量投入，且由于掺配烟煤，在中下层燃烧器燃料燃烧速度更快，导致泄漏处的水冷壁管子容易发生高温腐蚀。
高温腐蚀对受热面损害积累时间长，危害面积大，对已发现的腐蚀区域应当采取合理的防范措施，及时控制腐蚀进展，防止发生类似事故。
应力拉裂引起的受热面泄漏多见于两种材料焊接或管子的焊口处。
所谓“拉裂”是指在锅炉经过多次启停后在管子-管子、管子-密封件、管子-刚性梁连接等部件之间由于热膨冷缩不同步，位移不同步，又无足够的补偿能力的情况下管子产生的裂纹漏泄。这些部位炉外有保温层，炉内往往又是管排密集，人员难以预先检查发现，也很难装设监测设备。
避免管子-管子如过热器管排夹持管、定位管、屏间屏内焊接管等在设计上应考虑加装“过渡板”，避免管子与管子直接接触；管屏炉外部分，管子之间不必焊接，使管子有一定的补偿能力，“过渡板”与管子间的连接焊缝，应不等强，即焊接高度应略低于管子壁厚。
管子-密封件处的拉裂主要发生在过热器、再热器的穿墙管处，水冷壁、包墙管与鳍片连接末端等。这个问题主要应在设计阶段和安装期间解决，要把锅炉的支吊装置，锅炉膨胀死点、膨胀方向、膨胀量考虑清楚，要有自我补偿能力。
管子-刚性梁之间的拉裂，在现代大型锅炉的炉膛及尾部都装有刚性梁，刚性梁通过过渡部件与管子连接，刚性梁是锅炉的重要部件，它确保锅炉整体形状及刚性，在锅炉内爆或外爆时，保护锅炉不受损伤。所以必须搞清楚锅炉各个部位的刚性梁及锅炉膨胀系统的设计构想，管子与刚性梁之间的膨胀“死点”及膨胀方向。管子与刚性梁之间的连接件应完好，不应有开裂，严重变形及卡阻现象；刚性架内侧与管子之间的空隙要充填隔热材料，以防刚性梁内侧受热产生弯曲变形，产生附加应力。“拉裂”引起的漏泄所占比例较大，应认真检查减少“拉裂”漏泄，预防拉裂主要是消除应力集中现象。
2 预防锅炉“四管”爆漏的有效措施
从上文的分析可以看出，预防锅炉“四管”发生爆漏的有效措施为减小锅炉“四管”的受热强度和磨损强度，但由于热电厂的职能为提供热量和电能，在其连续不断运转的过程中，锅炉“四管”的受热强度和磨损强度得不到有效的降低。那幺既要保证供电供热的安全长周期运行，又要保证“四管”的受热及磨损可控，才能解决好“四管”的爆漏问题。要预防锅炉“四管”的爆漏问题，需要采取以下几个方面的措施：
2.1 运行管理 ①防止锅炉四管泄漏，要规范操作，强化运行参数控制和管理。良好的运行状态可以保证锅炉的使用寿命，应当严格按照厂家提供的启停参数曲线控制升温升压速度，防止短期超温，杜绝长期超温。对燃烧偏斜，烟温差大等现象应引起足够重视。运行中如果出现燃烧控制不当、火焰后移、炉膛出口烟温高或炉内热负荷偏差大，燃烧不完全引起烟道二次燃烧，减温水投停不当、管内结垢等情况，也会造成受热面过热。加强运行调整和监视，控制管壁超温是预防过热的主要措施。②强化化学监督。加强化学监督，做到严格执行《火力发电厂水、汽监督规程》，水汽质量的各项监督指标的合格率应达到95%以上。化学监督人员应按时通知并做好锅炉的排污加药等工作。保证锅炉汽水品质的良好。③加强煤质管理。目前电煤市场变化较大，入厂煤质变化较大，加之掺配煤工作存在不足，当燃用煤种偏离设计煤种较多时，应及时制定燃用新煤种的措施，针对新煤种的变化的硫分、挥发分以及灰分采取相应对策，减少高温腐蚀及飞灰磨损对锅炉四管的影响。
2.2 检修管理 防止锅炉四管泄漏，要规范检修管理，认真做好锅炉检修过程的四管防磨检查，做到大、小修全面检查，临修临停重点查，“逢停必检，疏防结合”。对发现的问题及时处理并做好记录，分析原因并制定措施，根据分析趋势提前布置防磨工艺措施。要坚持“趋势分析，超前控制，重在检查”的原则。要将“预测”和“检查”有机地结合起来。通过检查，掌握规律，从而预测四管的劣化倾向、检查重点、修理方法。通过预测，指导检查，总结经验，进一步提高管理水平和技术水平。
2.2.1 加强防磨防爆工作。①严格执行防磨防爆管理制度，重要缺陷处理，必须制定技术方案，经批准后组织实施。②检查受热面管排排列整齐，管距均匀。检修时变形的管排必须恢复原位，原有的管架、定位装置必须恢复正常。出列的管子应检查原因，向外鼓出超过管径时应采取措施，并再恢复原位。③尾部烟道侧管排的防磨罩和中隔墙、后墙处的防磨均流板应结合停炉进行检修，必要时更正，凡脱落、歪斜、鼓起、松动翻转、磨穿、烧损变形的均更换处理。④检修中应彻底清除残留在受热面上的焦渣、积灰以及遗留在受热面的检修器材、杂物等。⑤加强锅炉本体、烟道、人孔、看火孔等处的堵漏工作，同时消除漏风形成的涡流所造成的管子局部磨损。⑥加强吹灰器管理，防止吹灰器泄漏吹损受热面管子。⑦注重人员培训，多与其他兄弟单位交流，学习，对各种案例分析透彻，及时应用到各设备中，举一反三，提升成员技术水平，开拓工作思路等。⑧对易被冲刷的受热面管壁采用喷涂等形式进行防磨处理，可有效延长锅炉四管使用寿命。
2.2.2 加强金属监督管理。①对锅炉用钢管进行100%光谱检验。②对制造和安装焊口定期进行无损检验和抽查。③对“四管”进行定期的割管金相和化学检验。
2.3 材料管理 ①新进的锅炉用管材入库前应进行检查（包括外径、壁厚偏差、管内外有无裂纹、锈蚀等，对合金钢还应进行100%光谱复检）；②焊接材料（焊条、焊丝、钨棒、氩气等）应符合国家及有关行业标准，质保书、合格证齐全，并经验收后方准入库；③管材、焊接材料的存放、使用，必须按规定严格管理，标识清晰，防止存放失效或错收、错发；④检修用管材、焊丝应全部进行光谱确认。焊工必须持证上岗，焊前应进行焊接工艺评定，焊接时严格执行焊接工艺。焊口进行100%无损探伤。
此外，锅炉发生爆漏后，焊缝的质量也是影响锅炉“四管”运行状态的主要因素，提高焊缝的质量也是预防锅炉“四管”出现爆漏的一个有效措施。
3 结束语
本文是对锅炉“四管”发生爆漏的原因和预防措施的分析与探讨，从文章的分析中可以看出，锅炉“四管”发生爆漏的原因主要是高温过热和磨损，针对这两个方面的原因，文中从整体上提出了一些预防措施，希望文中的观点能为我国热电厂锅炉的正常运转做出贡献。
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