电站高压加热器爆破泄漏原因探讨

王兴义，冀晋川，李文亮

（山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

高压加热器（以下简称“高加”）是电站中所使用的重要压力容器之一，高加是通过利用来自汽轮机的抽汽对锅炉给水进行加热，以提高锅炉给水出口温度，提高机组的热效率。高加按内部结构分为管板式和集箱式高压加热器，集箱式高压加热器常见于较早和较低压力的机组。随着火力发电厂机组向大容量、高参数发展，高压加热器的工作压力和温度相应提高，目前大部分在役高加均为固定管板∪型列管式结构，因此本文讨论主要针对U型管管板式高压加热器。高压加热器在高温高压运行条件下工作，从设计、制造到运行、检修，在其任何一个环节考虑不足、处理不当均有可能埋下隐患，出现故障，导致设备损坏甚至人员伤亡。

1 事故案例

某电厂∪型管式高压加热器，工作压力1.673MPa（壳程） /22 MPa（管程），工作温度255℃（壳程）/210℃（管程），材质15Mo3（汽室）/20MnMoNi55（水室），累计运行约11.5万h，高加内部的一根∪型管由于长期振动磨损减薄开裂，造成大量给水进入筒体，同时，高压给水冲刷壳侧筒体致使严重减薄，筒体水位淹没至严重减薄处，给水压力直接作用于筒壁，筒体塑性变形快速爆破，高加壳侧筒体断裂，向上冲起，撞伤横梁。

某电厂∪型管式高压加热器，壳侧安全阀长期漏气，运行人员在未征询特种设备管理人员的情况下私自在安全阀后加装堵阀，对漏气进行密封。当传热管发生泄漏，高加壳侧压力骤然升高，由于安全排汽管段堵死，壳侧筒体受压超过其设计强度，导致壳侧筒体中部纵向开裂约1 100 mm，壳侧筒体整体胀粗、鼓包变形。

某电厂∪型管式高压加热器，设计压力1.91MPa（壳程） /29 MPa（管程），设计温度452℃（壳程）/233℃（管程），材质15CrMoR（汽室）/16MoR（水室），该高加因传热管泄漏，导致高压给水将壳体靠近管板侧的材料为15CrMoR的筒体贯穿。筒体损伤部位形状为一不规则锥状穿透型孔洞。

2 高加损坏原因分析

结合上述典型事故案例，对高加损坏原因分别从以下几个方面进行探讨分析。

2.1 设计方面

高加内部结构存在问题，管束支撑隔板布置不合理，传热管跨度过大，管束和壳体间通道面积太小等，均可能使得汽流速度过高，引起管束振动，超过材料疲劳持久极限或相互磨损变薄，从而导致传热管泄漏或断裂。

设计的蒸汽冷却段出口蒸汽剩余过热度太低，疏水口通道面积过小导致处于饱和状态的疏水闪蒸，使得汽流中含有较大直径水滴，上级高加疏水设计不当使其进入壳内形成汽、水两相介质。此外，防冲刷板材料和固定方式不合理，运行中破损或移位，防冲刷板面积不够大，未起到防冲刷保护作用，均造成传热管汽水侵蚀。使用碳钢传热管，抗汽水混合物侵蚀能力较差，设计结构导致汽流速度过高，都加重汽水侵蚀损伤。

传热管管壁厚度设计取用较薄，使得高压加热器使用寿命缩短，后期泄漏较多。位于管束中心位置的∪形管最小弯曲半径过小，制造中弯管变形量较大，局部管壁拉薄，运行中对管壁冲刷较大，易于损坏。

高加内部结构不良存在蒸汽流动不畅的死区或放空气系统不完善，导致空气积聚，造成传热管腐蚀。

2.2 制造和检验方面

管板基材与堆焊层之间或堆焊层本身层内因堆焊质量不良等原因存在缺陷，经长期承受运行热应力导致缺陷扩展而泄漏。

传热管与管板焊接时，焊缝表面熔渣清理不干净，焊接质量不稳定，焊缝和热影响区存在裂纹、气孔、夹渣、未熔合的缺陷，导致运行后管口焊缝泄漏。

传热管材质不合格，弯管成型控制存在偏差，造成管壁厚薄不均，热处理不当，存在较大残余应力。

传热管涡流检测，频率、相位角、增益等参数选取不当，未能将存在裂纹、折叠、轧折、离层、结疤、沟槽、氧化皮等缺陷的传热管检出剔除。

管板加工控制不严，管板孔尺寸误差较大，造成管孔与管子间隙偏大，运行中产出振动摩擦损伤管子。

隔板的管孔钻孔边缘不光滑，未清理干净毛刺，装配时强力组装，造成传热管拉伤、划伤。

制造完成后防腐措施不到位，在贮运安装过程中发生腐蚀。

2.3 运行方面

运行操作人员技术水平不高，启停操作未严格按照运行规程执行，没有充分暖管，升温、降温速度过快，传热管和管板之间受热不均匀，管板与管子连接处受到巨大热应力，使管口胀接、焊缝处损坏开裂并持续扩展，长期运行后最终导致管系泄漏。

壳侧水位控制不当，低水位或无水位运行造成疏水冷却段汽、水两相流动，并且流速加大甚至发生闪蒸，引起管束振动并冲刷侵蚀管束，高水位运行有可能导致疏水到达蒸汽通道口，被高速蒸汽吹散成较大直径水滴冲刷管束。

给水入口水温降低，抽汽量增加，壳侧汽流速度大大增加，引起管束振动相互摩擦损坏，并且高速汽流对传热管冲刷侵蚀。

高加水侧压力过高或停用时汽侧阀门关闭不严使不流动的水侧给水受汽侧漏入蒸汽加热导致给水温度升高引起水室超压，水侧壳体或给水管路上未安装安全阀或安全阀开启压力定值过高超过设计压力或未进行校验，造成水侧超压时没有安全阀动作保护导致传热管鼓胀变粗损坏甚至开裂。

汽侧壳体安全阀开启压力定值过高超过设计压力或未进行校验，传热管破裂壳侧压力升高安全阀未及时动作，造成汽侧筒体损伤。

给水水质不合格，含氧量和pH值超标，造成传热管内壁腐蚀，运行中壳侧放空气管未投运或工作不正常使得空气排放不完全，高加停用、备用时，高加内余水未放尽，造成换热管外壁氧腐蚀。给水水质不合格，结垢严重，导致传热恶化，易发生垢下腐蚀。

停运检修时，防腐措施不到位，造成传热管、管板等发生锈蚀。

高加运行中发生泄漏后，未及时停运，泄漏的高压给水冲刷损坏漏点附近的传热管，扩大了传热管损伤范围。

2.4 检修方面

传热管泄漏堵管时损伤邻近管口的焊缝和管板。施焊工艺不当，焊材选取不合适。焊接的环境和焊接方法控制不严，或者受高加设计结构空间位置和机加工焊接方位限制，机加工和焊接质量无法保证，焊缝出现未焊透、气孔、夹杂等各种缺陷，焊接后应力没能彻底消除，焊接管塞密封焊表面在介质、温度和冲蚀的共同作用下，焊口熔敷层开裂，造成封堵的管束投运后，再次发生泄漏。

传热管泄漏堵管时缺乏经验，只堵泄漏的管子，附近受到损伤的管子在运行中进一步加剧损伤，最终发生泄漏[1]。

3 高加设计改进和事故预防及处理措施

针对上面提到的各种问题，应采取相应措施以减少和应对高加损坏事故的发生。

3.1 设计改进措施

设计应充分考虑在高压运行中过渡工况和异常工况下的情况。

a）传热管壁厚取用适当并考虑合理的腐蚀余量，避免取用壁厚偏薄的高加，缩短使用寿命。

b）管束弯曲半径不宜过小，避免工艺减薄过多及介质冲刷加剧，减小加工应力，避免应力腐蚀。

c）要限制支撑隔板间距，减小管束自由段长度。

d）管束和壳体间通道面积不能太小，管束自身管子间距也要足够大，以降低汽侧流速和减少管子与筒壁或管子之间相互碰撞摩擦损坏的可能性。

e）在蒸汽及疏水入口处要设计防冲刷挡板，其材料选用要考虑耐冲刷腐蚀和有足够的强度承受大的冲击力，防冲刷板面积要足够大，并同时考虑在超负荷运行工况下，应有更大的覆盖面积。

f）防冲刷板要采取牢固的固定方式，不能只用点焊方式，防止开裂脱落。

g）疏水通道面积要足够大并考虑在疏水处设置扩容室以避免发生闪蒸。

h）限制壳侧蒸汽或疏水的流速，防止由蒸汽冷却段处来的蒸汽进入凝结段时出现高流速区域，避免振动和冲蚀损伤。

i）要设计完善的放空气系统，保证高加启动时水室、汽室的积存空气排放和连续运行中不凝结气体的排放，避免机构中的死角造成空气积聚。

j）汽水两侧均应设置安全阀，并有足够的流通直径，保证超压时及时排放。

k）蒸汽冷却段出口蒸汽要有足够的剩余过热度。

l）水室结构设计应考虑到堵管要求，为检修人员提供较大空间，便于堵管对管板表面进行机加工、清理、焊接。

3.2 生产制造注意事项

a）弯管应采用正确的工艺，并去除加工应力，减小应力腐蚀的可能性。

b）管子质量要严格把关，加强监督检验，防止将存在缺陷和热处理不合格的管子装入高加，给以后的运行埋下隐患。

c）支撑隔板管孔加工要控制加工精度，避免开孔过大导致管束振动。

d）支撑隔板管孔在钻孔后应两面都倒角，并清理除去毛刺，以避免装配过程中划伤管子。

e）装配时严禁强力组装，防止拉伤、划伤管子。

f）高加出厂时要做好防腐措施，以避免贮运过程中腐蚀的发生。

3.3 运行注意事项

a）运行应严格按照运行规程的规定，在高加投入和切出时控制温度变化率，避免热冲击，减小热应力，机组负荷应缓慢平稳地增加或降低，避免各金属部件产生过大热差及应力，引起传热管局部疲劳受损。

b）做好壳侧水位控制，水位保护及水位计投入正常，避免水位控制误差，造成低水位和无水位运行，减少疏水冷却段内出现闪蒸和汽水两相流动的可能性，倒立式高加还应防止水位过高淹没蒸汽冷却段出口而降低蒸汽冷却段出口的剩余过热度，以上措施均可避免管束的振动损坏和冲刷侵蚀。

c）控制疏水调节阀的开度，防止开度过大导致汽流速度过大在疏水冷却段内引起闪蒸。

d）高加的热力参数应严格按照设计范围控制，以避免流速过高激发管束振动。

e）严格控制给水品质，防止给水含氧量和pH值不合格发生入口管端侵蚀和传热管内壁腐蚀。

f）保证放空气系统正常工作，保持管路通畅，并对积存空气和不凝结气体进行排放。

g）在运行状态下要对高加实施年度检验，安全附件、测量调控装置，附属仪器仪表应进行日常维护保养，发现异常情况及时处理。

h）应按照《压力容器定期检验规则》的要求，定期停运进行全面检验，并检查疏水、空气管路易冲刷减薄处（例如弯头）的壁厚，当减薄严重不满足强度要求时应及时更换。

i）汽室、水室安全阀是高加发生超压危险时的最后一道安全保障措施，因此要定期校验合格。安全阀的整定压力设置正确，一般不大于高加的设计压力，设计图纸和铭牌上标有最高允许工作压力的，也可以采用最高允许工作压力确定安全阀的整定压力。

j）安全阀排放管路要保持通畅，不宜安装截止阀门，不得妨碍安全阀的安全泄放。

k）高加停用切断汽源、水源时应保证阀门关严，以避免漏入蒸汽加热不流动给水造成膨胀超压，或者抽汽消失后流动给水快速冷却，在管板—管子处产生过大热应力。

l）停用时应根据停用时间的长短，分别采用相应的防腐措施。

m）运行中一旦发现管束泄漏现象，即使还轻微，也应立即停用从系统中切出高加，避免继发性冲蚀损坏，对于泄漏的原因应认真分析采取相应的改进措施，防止同样原因的事故再次发生。

3.4 泄漏爆破处理措施

发生高加事故后应认真检查损伤情况，采用涡流探伤[2]和超声导波检测方法对高加换热管及筒体损伤情况进行认真检查，确定损伤部位、范围、及损伤程度，根据泄漏形式和部位，采取相应的处理措施。

a）换热管或换热管—管板连接处泄漏，采用堵管处理。换热管本身泄漏要查清换热管泄漏对漏点附近管子的损伤情况，将泄漏管及邻近冲蚀的管子均进行堵管处理，避免发生二次冲蚀泄漏，换热管—管板连接处泄漏要将原有裂纹或冲蚀处完全清除，去除端部原管子材料及焊缝金属，无论何种堵管方式，被堵管端部必须经过良好处理，管孔和管板孔均圆整、清洁，使堵头与管板紧密接触。

b）如高加汽室筒体被小范围内冲刷减薄或贯穿，根据《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，不能贴补，不宜补焊，可以考虑用开孔将损伤减薄部位清除后加装盲管[3]。对于接管的形式、壁厚取用、开孔补强、管材和焊材的选取要充分考虑，认真计算。

c）如发生传热管损坏断裂、壳侧进入异物、防冲刷板损坏脱落以及汽室壳体损坏程度不明，需检修壳体内部或更换管系时，可按高加设计图纸规定的切割线位置割开高加汽室壳体，把管子抽出或把壳体退出。

d）如果高加汽室筒体损坏较严重，对于筒体损伤情况应进行评定，如传热管完好，可考虑更换筒节，根据《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求，重大维修应当经过原设计单位或者具备相应资格设计单位同意。

施工过程必须经过具有相应资格的特种设备检验检测机构进行监督检验，未经监督检验合格的高压加热器不得投入使用。

4 结束语

高加如果发生泄漏爆破从系统中退出，除了威胁机组的安全运行，还会因此使得给水只能通过旁路进入锅炉，大大降低进入锅炉的给水温度，从而增加燃料能耗，导致机组负荷下降，增加发电成本。因此，需要通过对高加失效原因进行认真分析，采取相应的应对措施，以提高高压加热器投入率，保障系统的安全和经济运行。

［1］ 刘文柱，刘琰，肖镇.高压加热器泄漏原因分析及改进措施［J］.热力发电，2006（07）：48-49.

［2］ 董勇军，陆军，郭勇峰.高压给水加热器换热管束的涡流检验对策［J］.山西电力，2004（4）：61-63.

［3］ 郑敏，黄纯德，栗县民.火电厂高压给水加热器筒体泄漏的修复［J］.山西电力，2006（4）：31-33.