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大型鍋爐事故及預防——第五節  防止鍋爐承壓部件的損傷

2005-12-06   來源:安全文化網    熱度:   收藏   發表評論 0
    鍋爐承壓部件的爆漏是大型火電機組強迫停用的主要原因,占鍋爐機組強迫停用次數的82%,強迫停用時間的78%。因而預防鍋爐承壓部件損壞,有其明顯的經濟效益。
    本節敘述的是鍋爐承壓部件因各種原因,使管壁不能承受內壓應力而發生的爆漏。通常是指管壁的局部應力超過材料的屈服極限、持久強度,包括管壁磨損、腐蝕、侵蝕減薄使應力升高的因素,包括管壁溫度升高材料組織發生變化而使材料強度下降的因素,以及附加應力或交變應力的存在使管壁爆漏等。其中受熱面內、外壁腐蝕因涉及化學專業,修復工作量一般較大,同時發生在一大批承壓部件上,所以另節敘述。
    一、爐外承壓部件的損壞
    鍋爐爐外承壓部件的損壞,雖然為數不多,因其涉及人身安全,故必須引起電廠安全工作者的重視。
    國內外事故統計表明,飽和汽水混合物管道、主蒸汽管道及超臨界壓力鍋爐下輻射區聯絡管彎頭以及汽水聯箱封頭、手孔堵是鍋爐爐外承壓部件的薄弱環節。就彎頭而言,分析表明,在內壓作用下彎頭橢圓斷面上存在三個高應力區。汽水管道彎頭內表的兩個高應力區,在鍋爐啟停、溫度變化其局部應力超過材料屈服極限時,表面原有的磁性氧化鐵保護膜會損壞,在含氧水的作用下再次氧化造膜,如此反復,形成應力腐蝕疲勞破壞。因其發生在內壁不易發現,且因為有二個薄弱點,一般爆破口較大;對于主汽或再熱器管道,外表的高應力區促進高溫蠕變的發展,較早發生蠕變孔洞或蠕變裂紋而提前損壞。一些早期蘇聯和國內生產的平封頭聯箱及手孔堵,不適當的在管端二次應力區采用未焊透的焊接結構,也容易發生應力腐蝕疲勞裂紋。從而構成了爐外承壓部件的薄弱環節。對此類運行年久的鍋爐,備必重視爐外承壓部件的損壞問題。
    防止爐外承壓部件損壞,應采取如下防范措施:①制作管道彎頭要嚴格控制彎頭不圓度,必要時增加壁厚,采用回火工藝以消除冷彎時引起的加工硬化與殘余應力;②對于已運行多年的鍋爐,汽水管道不圓度超過8%的彎頭,在鍋爐啟停次數超過允許值時,要加強彎頭內表面的檢查。③主蒸汽、再熱汽管道要重點監視彎頭的外弧側外表的微裂紋,對10-14MPa,510℃~540℃參數的φ133×10、φ194×12、φ219×14、φ273×20、φ325×22的12Cr1MoV主汽管和導汽管,以及φ426×17Cr1MoV再熱汽管要重點檢查。④要改善停爐保護工作,認真控制化學清洗工作的質量。⑤要加強金屬監督,防止錯用鋼材、焊接缺陷擴展和法蘭螺栓斷裂。
    二、防止磨損
    鍋爐承壓部件磨損是一種機械性損壞,一般有四種形式:即飛灰磨損、吹灰器磨損、落渣磨損與煤粒磨損。磨損使管壁減薄,當管壁應力超過材料的屈服極限時,管子爆破。近年來采用小管徑、小節距、高煙速以減少省煤器體積及鋼材消耗的做法已逐步淘汰。當前飛灰磨損主要發生在煙氣走廊地帶、管排不均勻處及導流板異常位移處。加強防磨、防爆檢查,避免爐墻漏風以及正確使用與維護防磨裝置是防止飛灰磨損的主要措施,中國電力出版社出版的《防止電力生產重大事故安全系列片》第三集有形象化的描述,值得一看。
    吹灰介質(空氣或蒸汽)帶水,吹灰器卡澀在一個位置上不動以及吹灰器定位不當是吹灰磨損管壁變薄的主要原因。吹灰操作程控,吹灰器位置的正確信號顯示及采用其他吹灰方式清潔受熱面是解決吹灰器磨損的途徑。
    鍋爐冷灰斗斜面被爐膛上部下落的灰渣沖刷使冷灰斗邊排管壁爆管的事故還不多見,一旦發現防范措施是在此部份管壁上堆焊防磨層或加焊防磨棒。
    煤粒磨損主要發生在噴燃器出口處。主要原因是噴口位置不正確,防磨保護層磨耗、脫落或管排異常變形。
    三、防止管壁過熱損壞
    管壁在高溫煙氣中受熱,如果得不到可靠的冷卻,其運行溫度超過設計值或超過運行時限發生損壞,稱為過熱。短期過熱造成的損壞是因高溫使管材強度下降,例如管子內部堵塞,缺水、水循環破壞或膜態沸騰等,大部分短期過熱損壞處會呈現明顯的延伸和收縮變形,在破裂處呈現刀刃狀邊緣;只有當過熱溫度超過相變溫度AC3,鋼材的鐵素體轉變為奧氏體時,管壁減薄才不明顯。高溫蠕變或稱中、長期過熱是因為鋼材長期工作在蠕變溫度以上,金相組織發生變化;包括:珠光體球化,碳鋼和鉬鋼的石墨化,碳化物聚集,奧氏體鋼發生σ相沉淀等,從而降低了金屬的晶間強度而損壞。這種損壞管壁沒有明顯減薄,厚唇狀破口是高溫蠕變的特性。
    短期過熱損壞有不同的起因,防范措施亦因此而不同。一般的要求是,應建立防止作業工具、切削悄粒以及焊渣進入管段的檢修工藝,建立防止汽包低水位及過量使用減溫水導致過熱器管內出現水塞的操作規程。高溫蠕變的原因差異更大,一般情況下,首先要弄清是汽溫長期超溫、個別蛇形管超溫、還是爐內管壁超溫;弄清是因為熱力偏差、水力偏差還是結構偏差引起的蛇形管超溫。個別管的過熱采用高一級材料替代往往可以取得良好的效果。
    四、防止受熱面疲勞損壞
    爐管受到周期應力或應變的作用,導致疲勞裂紋的發生、發展而縮短其使用壽命,稱為疲勞損壞。分為:振動疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞及低周熱疲勞。損壞時間決定于應力交變輻度,交變次數、應力集中程度與腐蝕介質種類。
    (一)振動疲勞損壞
    鍋爐承壓部件由于振動引起疲勞損傷事例并不多。機械疲勞破壞,其斷口往往有明顯的疲勞紋,裂紋由外表向內發展,斷口表面呈細瓷狀。鍋爐噴水減溫器噴頭、噴管及溫度表庫通常處于一端固定,一端自由的懸壁狀態,當汽流激振頻率與自身固有頻率相同時發生共振,就有可能導致振動破壞。鍋爐轉向室吊掛管在煙流“卡門旋渦”作用下也可能發生振動疲勞損壞。
    在鍋爐設計時加以考慮或事后加裝隔板或連桿改變自振頻率,是防止此類損壞的根本措施。檢修中加強檢查及時發現疲勞裂紋有利于早期處理。管件焊接避免咬邊、實施圓滑過渡降低應力集中也是防止振動疲勞損壞的有力措施。
    (二)熱疲勞損壞
    鍋爐受壓部件表面急劇冷卻、加熱,經受熱沖擊,當應力輻度及交變次數足夠時,便出現網狀、放射狀或鱷魚皮狀裂紋。鍋爐汽包省煤器再循環管孔附近的裂紋、安全閥管座附近、疏水管管座等處,往往容易出現兩種溫度不同的汽水介質,從而構成壁面溫度交變的條件,是鍋爐承壓部件發生熱疲勞損壞的區域。
    據西德TUV報道,中間再熱機組的快速減溫減壓裝置所用高壓旁路閥體內壁在閥門開啟之際,溫度變化速度最大可達4℃/S,在1~2min內個別的溫度可從240℃升到450℃,加以不可避免的存在鑄造缺陷,從面使相當多的一部分閥體出現熱疲勞裂紋。
    防止熱疲勞裂紋的措施與出現溫度交變的原因有關。對于省煤器再循環管孔的裂紋,我國與前蘇聯鍋爐監察規程已規定,再循環管、給水管、減溫水管、加熱管、加藥管等管座要采用帶保護套管的管接頭,以免冷熱交變引起汽包、聯箱壁的熱疲勞。對于較長安全閥入口管段內冷凝水引起的溫度交變,則采用接入小管,使該管段不流動的死汽流動的措施。禁止或避免疏水反向流入高溫主汽及再熱汽聯箱,避免減溫水直接噴濺到聯箱壁等。這些運行或設備改進措施都有利用預防熱疲勞損壞。
    (三)低周疲勞損壞
    鍋爐承壓部件低疲勞損壞也是一種熱疲勞,一般指承壓部件因熱膨脹受阻局部熱應力隨鍋爐啟停或參數變化而引起的疲勞損壞。因其應力變化輻度大,局部應力有可能達到屈服極限,因而在數百次或數千次交變之后便可能發生低周疲勞破壞。當然對鍋爐汽包,厚壁聯箱內壓應力隨鍋爐啟停也發生交變,也可能出現低周疲勞損壞,但此類事故發生頻率不高。
    原則上,鍋爐元部件只要存在溫差,或各相連元部件之間的膨脹死點不同,或相連部件的膨脹系數不同都將出現熱應力。問題是熱應力的大小,能否導致局部屈服。例如鍋爐受熱管的穿墻部分,由于組成墻壁的管排(如頂棚管)與蛇形管之間的溫差,冷態與運行狀態下聯箱與管排的相對位置有差異,當蛇形管撓度不夠時,聯箱管座將因這種熱應力而發生低周疲勞損壞。一臺WGZ400/100爐頂棚管與前懸吊管上聯箱之間的高差只有500mm,計算表明,鍋爐啟停時,管座的根部應力達到300MPa,因而在一段時間后發生損壞,將聯箱分段,并將中間段箱抬高增加撓度后,就解決了問題。
    風箱、燃燒器、人孔門框架與水冷壁連接處角焊縫一般都存在溫差應力,管子管卡、管道支吊架部位雖然無較大的熱應力,但管子、管道的熱膨脹變形也影響這些管件的受力狀況。事實上,一些頻繁啟停的鍋爐已發生過這些部件的損壞事件。日本《火力及原子力發電》雜志1989年第10期報道了日本各制造廠為提高調峰鍋爐可靠性所采取的措施,有一定的參考價值。
    五、防止人員責任引起的承壓部件損壞
    鍋爐制造、安裝、維修、運行不當均可使鍋爐承壓部件過早損壞。
錯用鋼材,焊接缺陷。雜物遺留管內等制造、安裝質量問題曾嚴重影響鍋爐可靠運行,鍋爐汽包集中下降管管座裂紋曾導致多臺鍋爐汽包挖補修理。至今汽包爐省煤器聯箱管座角焊縫、直流爐水冷壁聯箱管座角焊縫、超臨界鍋爐水冷壁鰭片管對接焊縫的焊接缺陷仍是新爐故障的重要原因。
    運行鍋爐燃燒控制不當、汽水流量控制失靈(例如汽包爐的缺水、直流爐煤水比調節失當)、過量使用減溫水特別是低負荷使用噴水減溫等等也是某些事故的原因。正確編訂規程并嚴格執行規章制度,提高自動控制與保護裝置的水平是預防此類事故的對策。

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