陈 林(福建省锅炉压力容器检验研究院)
工业锅炉烟管泄漏成因分析及预防措施
陈林(福建省锅炉压力容器检验研究院)
锅炉烟管因变形、穿孔发生泄漏,本文通过对该锅炉烟管失效的实际情况和以往的运行状况,分析其发生的原因,并提出了相应的预防措施。
锅炉;变形;穿孔;泄漏;预防措施
DZG型蒸汽锅炉是单锅筒纵置式固定炉排锅壳锅炉,该型号锅炉操作简便,升温升压快,热效率高,因而使用比较广泛,普遍用于印染等加工行业,近些年,我们在锅炉定期检验时发现,该型号锅炉烟管泄漏事故时有发生,本文针对该型号一台锅炉的烟管失效事故进行研究,对工业锅炉运行、管理等方面应注意的问题进行探讨,提出一些有效的预防措施。
某洗涤厂 1台型号为DZG2-1.25-AⅡ的燃煤锅炉于2015年11月因烟管变形严重及泄漏事故导致工厂停厂,该锅炉的主要技术参数为:额定蒸汽压力:1.25MPa,额定出力:2t/h,出口温度:193℃,烟管尺寸为:φ63.5×3.5mm,三回程固定炉排,检查现场运行燃料主要以木屑,谷糠为主,运行记录不全,现场管理混乱。内部检验时发现:
(1)高温区最上两排烟管存在直管段弯曲变形,最大变形量为80mm,锅筒内壁上有多条低水位线(如图1),检查其水位自动控制装置为失灵状态。
图1 锅筒内壁低水位线及变形烟管
(2)烟管在后管板高温区侧第一排第2、5根,第二排第3、5、6,第四排第3根存在烟管局部穿孔,穿孔面积最大约10mm×20mm(如图2所示)穿孔大部分集中在靠近出烟口处的烟管上(如图3所示)。
图2 烟管穿孔位置
图3 烟气流动方向及磨损位置
2.1烟管变形原因分析
该锅炉为全天24h连续运转,水位自动控制装置失灵,仅凭司炉工手动补水无法保证水位的正常,从锅筒内壁水位线痕迹分析锅炉运行时时有缺水现象发生,司炉工操作不规范,制度不健全。锅炉在正常运行状况下,烟管与锅筒两者都会有一定的伸长,壁温差在设计允许的温度条件下,管板在弹性范围内允许其一定的伸长能力,烟管不会有可见的塑性变形。因此在低温侧烟管与锅筒壁温温差较小,不易发生变形。针对此台型号的锅炉,锅筒长L=4000mm,壁厚16mm,外径1800mm,材质Q345R,烟管尺寸为:φ63.5×3.5mm,烟管材质20G,锅筒壁温193℃,烟气温度 750℃,高温区上排烟管因缺水温度升高,全长平均温度取 500℃,进水温度取20℃,经查表锅筒与烟管材料线膨胀系数a=1.05×10-5C-1,计算低水位时高温烟管伸长量与锅筒伸长量分别为:
锅筒伸长量△L筒=aL(t2-t1)=1.05×10-5×4000×(194-20)= 7.31mm
烟管伸长量△L管=aL(t2′-t1)=1.05×10-5×4000×(500-20)= 20.16mm
△L管-△L筒=20.16-7.31=12.85mm
式中:a——线膨胀系数;
L——烟管长度;
t2——锅筒壁温;
t2′——高温区第一排烟管平均壁温;
t1——进水温度。
该烟管若超温伸长量超出锅管本身的伸长量,当无法利用管板的呼吸空间伸长,多余的长度只有通过弯曲变形来释放,受高温烟气加热的烟管因得不到锅炉水的可靠冷却,管壁超温,产生过量的线膨胀,在两端管板的限制下产生塑性变形,经反复多次缺水,膨胀产生轴向力致使烟管的变形量愈来愈大。
2.2烟管穿孔原因分析
将磨损穿孔附近的烟管切割一段观察,其内壁表面光亮圆滑,在圆柱形的管壁内侧出现平整的平面,经厚度检测,在穿孔磨损附近的平面处检测壁厚明显减薄,最小值为1.5mm(如图4所示)。进入炉膛内部及烟箱检查时发现大量积灰。
图4 烟管内表面磨损简图
(1)进行光谱分析,切割下的减薄烟管材料成分光谱分析如表1所示,所抽查材料成分等同于20G,材质未见明显异常,由此判定该变形及穿孔跟材质劣化无关。
表1 烟管光谱分析材料成分表
(2)燃烧情况进行分析,检查现场燃料以木屑、谷糠为主,其发热值达不到设计中使用的燃煤值,从锅炉检查门烧焦情况可判断该锅炉为满足生产需求超负荷运行,当燃料热值无法满足时必须则加大风量,炉膛内部处于正压燃烧,导致烟气量过大,流速过快,更多的飞灰颗粒及不完全燃烧的碳粒随着高速烟气通过受热面时,与壁管发生撞击摩擦,飞灰颗粒经过高温区烟管后在出烟口处需做90°的转弯,大部分颗粒尤其是磨损性强的粗颗粒,在离心力的作用下被抛向外侧使这里的飞灰浓度增高。当飞灰颗粒撞击受热面时,受热面表面会出现微小凹坑,当撞击力超过其强度极限或频繁撞击后,表面薄层会出现破坏脱落现象,形成撞击磨损,烟速越高,灰料越大,对管壁的撞击力就超大,烟气携带的灰粒越多,撞击的次数就越多,最终导致穿孔。由于烟气通过前烟箱后有一定的缓冲,烟速减慢,灰粒减少,所以在第三回程烟管内壁磨损明显减少,也未见穿孔现象。
(3)管理情况分析:锅炉在使用过程中应按操作说明书定期清理炉膛、烟箱及烟管受热面,从检验时发现,炉膛及烟箱内大量积灰,占用烟箱及烟管内通道空间,烟气通过时偏流向未堵塞侧从而导致烟气在烟管中的流通速度加大,造成单侧局部磨损的可能性就增大。锅炉受热面的磨损关系式如下:
式中:E——磨损量;
f1——灰粒特性系数;
f2——受热布置型式及冲刷方式系数;
C——飞灰浓度;
V——烟气流速。
从公式可以看出,灰粒磨损情况与灰粒的特性、受热面结构及布置、烟气流速都存在一定的关系,较大较硬的灰粒造成的磨损也较严重,受热面管子的布置方式,如错列,顺列;横向,纵向,斜向节距均对磨损有影响。当燃料和受热面结构型式固定时,其磨损量与飞灰浓度的一次方成正比,与烟气流速的3.5次方成正比,可见影响烟管磨损的首要因素是烟气流速,其次才是飞灰浓度,所以炉膛及烟箱内大量积灰可大大增加磨损速度导致穿孔。
2.3分析小结
从光谱元素含量来看,该台锅炉烟管材质在金属组织结构和成分上均符合要求,不存在过烧或劣化等迹象,造成变形及穿孔的主要原因有三条:①未按锅炉使用说明进行定期保养,水位联锁保护装置未能起到作用导致锅炉不定期处于缺水运行状况,加大了高温区上排烟管的塑性变形;②用户擅自改变锅炉的燃料,将燃料设计的燃煤改为木屑及谷糠,为满足生产需求超负荷燃烧,飞灰颗粒及不充分燃烧的碳粒对烟管内壁造成磨损;③管理不到位,操作人员责任心不强,相关规章制度不健全,锅炉在运行当中没有按照锅炉使用说明书的要求进行定期清灰,造成烟管流通面积减小,烟气流通速度增大,大大的加剧了烟管的磨损最终导致烟管穿孔。
针对上述锅炉运行中出现的问题以及事故原因分析得出的结果,对该锅炉运行中出现的问题提出以下几点方案及措施:
3.1解决方案
①该烟管变形量超过其直径或穿孔,需进行更换修理,用户应请有资质的维修单位按照相关法律、法规的要求进行更换,根据《锅炉安全技术监察规程》规定,当受热面管子更换数量大于该受热面管子的10%并且不少于10根时更换前还应报当地检验机构进行监检,维修结果必须经当地检验机构监检合格后方可重新投入使用;②更换燃料,使用锅炉设计时的燃煤燃料,在未经设计单位同意的基础上不得擅自更改锅炉的燃料。
3.2预防措施
①定期保养锅炉,锅炉的保护装置更应定期检查其可靠性;②加强锅炉的运行管理,及时清理炉膛及烟箱内的积灰,加大操作人员的管理,增强责任心,确保锅炉可靠、高效的运行;③为了确保锅炉的安全连续运行及良好经济效益,不允许锅炉处于超负荷运行。
本文对某燃煤工业锅炉烟管出现变形,穿孔致泄漏事故原因展开分析,得出导致锅炉失效的原因是管理不到位,锅炉的联锁保护装置失效,水位控制不当,用户擅自更改锅炉燃料,造成锅炉缺水工状下超负荷燃烧,高温区上排烟管缺水产生塑性变形,烟管第二回程靠近出口处磨损穿孔。针对这些问题提出了相应的解决方案及相关的管理建议,对锅炉今后的运行管理具有一定的实际指导意义。
[1]马昌华.锅炉事故防范与安全运行[M].工业锅炉,2000.
[2]钱建新,夏临明.卧式锅壳式锅炉烟管泄漏成因分析[M].中国特种设备安全,2015,07.
2016-6-1
TK229
A
2095-2066(2016)17-0012-02