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摘要：针对钢铁冶金企业中服役15年的煤气发电锅炉频繁发生的水冷壁爆管问题，文章进行了深入分析。通过对爆管部位的母材进行金相学研究，揭示了爆管的根本原因为燃料供给的不稳定性与水质管理漏洞导致的局部过热现象，最终在高压蒸汽作业环境下引发了爆管事故。文章提出了改进燃料配比与加强水质监控的措施，旨在确保煤气发电机组的稳定运行，保障企业的经济效益与生产安全。
关键词：煤气发电锅炉；水冷壁；爆管
钢铁企业在生产过程中的转炉煤气、高炉煤气经轧钢厂、热处理等使用后，如仍有富余，需要增设燃煤气发电机组，用于提高能源的利用效率，这也正是发展高效、清洁的发电技术的迫切要求[1]。
与社会公共系统的发电不同，除了燃料种类的差别外，更为重要的是发电机组的工作制度。社会电厂主要根据外部用电及设备的检修计划，从而稳定地生产。而钢铁企业的发电机组一般属于三类用户，在稳定发电的同时，还兼顾调节煤气发生与使用之间的平衡作用。一方面是煤气发生与轧钢等其他用户使用完后，剩余的煤气给燃气机组用于发电；另一方面不同种类的煤气的剩余比例不尽相同，进而造成用于发电机组的煤气热值处于不断变化过程中。这两个方面使得发电机组的负荷变化频繁，实际生产运行中的升降负荷为1.5MW/min左右，给锅炉和汽机的运行带来不利影响。尤其是在发电锅炉运行15年后，频繁变化的主蒸汽压力，加之锅炉水系统的不稳定等不利因素的叠加，给锅炉运行带来较大的压力，极易出现生产中断事故。
1发电锅炉现状
某发电锅炉运行15年时，布置在锅炉四周蒸发受热面的水冷壁发生爆管，水冷壁的作用是锅炉给水经过水冷壁管吸收炉膛辐射热和对流热。水冷壁的爆管导致锅炉瞬间失压，锅炉连锁保护跳机。待炉膛内温度下降至人员可以进入时，进入炉膛内部发现在折焰角区域的迎风侧发生水冷壁爆裂，将爆裂部分切割下来后，发现其爆裂的端口区域长约为45cm，水冷壁爆管碎片，如图1所示。
1.1设计参数
某钢铁厂在2008年9月为消化富裕的煤气及增加自发电比例，新投产一台高温高压燃煤气发电锅炉，其额定蒸发量220t/h，汽包工作压力11.3MPa，过热蒸汽压力9.8MPa，过热蒸汽温度540℃,设有低温、高温省煤器。锅炉水冷壁材质20G，受热面积904㎡，管壁外径和壁厚分别为60、5mm。其燃料主要是热值为745Kcal/m3的高炉煤气和热值为1650Kcal/m3的转炉煤气，高气与转气的体积比为12:1，消耗煤气量为19.51万Nm3/h。
1.2工作及检修模式
该企业煤气发生和使用处于硬平衡状态，发电机组全年运行8500h，年平均负荷42.6MW。煤气使用的主要是高炉煤气和转炉煤气，在企业焦炉煤气有富余时，掺混少量的焦炉煤气，掺混量约7000~8000m3/h。其检修模式分为两种，一是长时间的检修，结合上道煤气发生侧的检修同步进行，每年有7天左右的连续检修；二是结合高炉短24~36h的休风时间，对凝汽器进行射流清洗。
2水冷壁腐蚀分析
对折焰角其余的水冷壁管道进行切割取样共计4根，分别为1#：爆管位置的后墙折焰角下斜面左起第1根；2#：泄漏位置旁边的后墙折焰角下斜面左起第2根；3#：后墙折焰角下斜面左起第3根；4#卫燃带上50cm处左侧从炉前数第55根；另外还取了两根完整的管段，标记为5#：后墙折焰角下斜面左起第48根；6#：后墙折焰角下斜面左起第50根。
2.1水冷壁厚度分析
通过对试样使用砂纸打磨掉浮灰和浮垢后，对管壁的厚度进行测量，从表1中可看出与原始管壁5mm相比，经过运行将近15年后，大部分厚度在5.0~5.3mm，多出的0.3mm厚度主要是管壁结垢生锈，增加了管壁的厚度，同时也增加了局部过热的风险。1#试样泄露处，管壁的平均厚度只有2.83mm，减薄量达到了43.4%，说明爆管前水冷壁发生了严重过热现象，进而因锅炉蒸汽压力将该处管道撑爆，管壁撑薄。
2.2腐蚀产物分析
当锅炉在高温运行状态下工作时，受到金属元素的影响，会对锅炉引发电化腐蚀，引发结垢等现象[2]，通常认为炉水中的氯、硫或碱金属与腐蚀发生有密切的联系[3-4]。图2（a）是对爆管口位置区域的黑色腐蚀产物及其周围的腐蚀产物进行分析，黑色区域的腐蚀产物较为致密，认为是管道金属与锅炉水中的氧发生氧化反应形成的氧化铁皮为主。通过重量百分比测量，氧元素质量占比34.41%，更加验证了水冷壁内的氧化已很严重，在高温状态下不足以承受蒸汽的压力。从图2（b）中还可以看出Ca元素的含量很高，该种物质主要通过锅炉水进入水冷壁，经过水冷壁高温后水变为蒸汽，而水中的Ca物质析出后附着在水冷壁内壁造成富集，影响热量的传递，造成水冷壁局部过热，降低水冷壁金属强度。而正常的锅炉水质中，不应该含有这种Ca物质。
2.3金相分析
针对取样材料进行金相分析，图3的1#材料出现沿晶裂纹（3.5级球化），说明其材料局部过热且受力超过晶界之间的结合力，造成开裂。
通过详细的现场取样与实验室分析，对爆管原因进行了系统性探讨。不仅从物理层面（如水冷壁厚度变化、腐蚀产物分析）揭示了爆管的直接诱因，即长期运行中的局部过热与短期剧烈过热，而且从化学角度（腐蚀产物成分分析）指出了水质管理不足对水冷壁金属强度的负面影响。金相分析进一步证实了材料因过热导致的晶界破坏，强调了过热与材质劣化的直接关联。
3原因分析
通过上述的水冷壁厚度、腐蚀产物以及金相的分析，认为水冷壁的爆管主要是过热造成的，过热主要分为长期过热和短期过热。
3.1长期过热的特点
长期过热造成的爆口通常不大，爆口断面呈现出钝边的不平整状态，管壁减薄不多。由于水冷壁长期在高温下工作，爆口附近往往有随着时间逐步积累起来的较厚氧化皮。从蠕变原理上来说，破口应为塑性断裂，但蠕变爆管往往伴有应力腐蚀，这使爆口表现出脆性断裂的特征。当管子过热时，管子会以加快了的蠕变速度发生管径胀粗，通常在爆口的金相图中可以看到明显的蠕变晶间裂纹，伴随有严重的球化现象。由于长期在高温下运行，在裂纹发展的同时，也发生裂纹内部的氧化，结果在裂纹内壁上生成了氧化层，尤其是粗大的蠕变裂纹处，其氧化层更为明显。
3.2短期过热的特点
短期过热爆管按过热程度的高低又可分为瞬时过热爆管和短期直接过热爆管。瞬时过热爆管破口处呈喇叭状，管子严重减薄胀粗，边缘锋利，为韧性断外表呈蓝黑色氧化组织。破口的内壁由于管内汽水混合物急剧冲出，因此显得十分光洁，管子胀粗严重。管子外壁一般呈蓝黑色；破口附近没有众多平行于破口的轴向裂纹，破口处的组织为羽毛状贝氏体组织。短期过热是由于管子在严重超温的情况下力学性能严重下降，管子在压力的作用下发生塑性变形以至爆破。短时直接过热爆管的爆口很大，外形上呈不规则菱形，显微组织碳化物球化，破口边较锋利，破口附近有一定的胀粗并且在离破口较远处管子也有不同程度的胀粗。破口组织为铁素体加块状珠光体，珠光体已有一定程度的球化。
通过对长期过热和短期过热现象的分析，结合本锅炉爆管的实际分析，判断短期过热是造成的本次事故的主要原因，另外锅炉水质的成分，也是加剧爆管发生的原因之一。
在明确了短期过热与水质问题是导致爆管的主因后，再深入探讨二者的相互作用机制，并提出一系列针对性的改进措施。从优化燃料配比以减少热值波动，到全面整改水质管理系统，再到调整燃烧参数以减轻局部热负荷，这些措施旨在从根本上解决爆管的问题，从而恢复并提升发电机组的稳定性和安全性。
4结论及措施
4.1结论
1#试样的爆管，管壁减薄十分明显，管壁的平均厚度只有2.83mm，减薄量达到了43.4%。是典型的短期过热的特征，进而也是本次事故的主要原因。但从前文分析可以看出，锅炉的水质也存在问题，导致发生爆管是必然，且不合格的水质加剧了这种爆管风险。两者的叠加，形成恶性循环，加剧了设备的不稳定运行风险。
4.2后续措施
首先，对该机组进行全面修复，将烧嘴附近±5m区域的水冷壁全部更换后，临时投运运行，减少因煤气放散带来的损失；同时紧急采购备件，结合高炉大修期间，对其余没有更换的全部进行更换。
其次，对锅炉水质进行全面梳理，包括检测频次、检测位置、排污频次等。一是对长时间没有投运的除氧器进行修复投运，减少锅炉水中氧的含量，将其控制参数控制在≤50μg/L；二是将原有在一个位置取样，改为在水冷壁的左右两个区域进行取样，提高取样化验的代表性；三是对排污系统增加电动控制阀门，在DCS系统中设定自动排污时间和频次，减少人工排污的不精确性。
再次，对煤气品种的掺入量进行管控，尤其是高热值的焦炉煤气掺入量，将其控制在5000m3/h以下，同时对烧嘴的一二次风的比例进行调整，目的是减少火焰冲刷水冷壁，减少局部温度过高的现象。
综上所述，燃煤气发电锅炉水冷壁爆管问题的解决，需要跨学科、多维度地分析与对策。通过细致的材料科学分析、系统性故障排查以及综合性的管理与技术改进，文章不仅揭示了爆管的具体成因，还为同类问题的预防与解决提供了科学指导。未来，持续的监测、维护策略的迭代以及对新技术的探索应用，将是保持钢铁企业煤气发电机组高效、安全运行的重要方向。
参考文献
［1］李琼玖，漆长席，庞玉学，等.我国煤利用的CO2排放与煤清洁利用技术［J］.中外能源，2016，21（7）：21-27.
［2］李艳雷，辛小敏，李青松，等.工业锅炉、发电锅炉防垢剂的研究与应用［J］.中国高新技术企业，2015（4）：43-44.
［3］王明庭，赵斌，刘景新，王会权.50MW燃气锅炉水冷壁爆管分析［J］.中国特种设备安全，2016，32（10）：48-51.
［4］付红红，樊钊，陈伟民，等.锅炉水冷壁爆管原因分析［J］.工业锅炉，2017（4）：51-55.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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燃煤气50MW机组锅炉水冷壁爆管分析论文
人参与 2024-12-13 10:35:44 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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