基于大数据分析的电厂锅炉水冷壁失效研究

石荣雪，张适宜，张胜寒

（1华北电力大学环境科学与工程学院，河北 保定 071000；2华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

综述与专论

基于大数据分析的电厂锅炉水冷壁失效研究

石荣雪1，张适宜2，张胜寒1

（1华北电力大学环境科学与工程学院，河北 保定 071000；2华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

通过对 270篇电厂锅炉水冷壁爆管事故类文献研读，归纳得出造成爆管的直接原因是超温和化学腐蚀分别占21.27%、18.73%，作为根本原因之一的燃料粒度不均以及燃烧方式不当占14.44%，器壁结垢堵塞作为水冷壁管泄漏的一个间接原因占10.79%，这几种因素合计引起的泄漏次数在总泄漏次数中占65.23%，为水冷壁发生泄漏时应该优先考虑的因素。按水冷壁发生化学腐蚀的位置进行统计，得出水侧和火侧的化学腐蚀分别占64.41% 和35.59%。将水冷壁水侧的化学腐蚀因素进一步分类得到氢腐蚀占36.84%，碱腐蚀占21.05%，酸腐蚀占15.79%以及蒸汽腐蚀占 11.84%。这 4种化学腐蚀因素合计引起的爆漏次数占所有水侧化学腐蚀因素引起爆漏次数的85.52%，为化学腐蚀因素中应该优先考虑的因素。另外，还分别讨论了不同功率机组的水冷壁腐蚀失效情况。以上结论对现有电厂水冷壁泄漏原因的快速查找和预防起到一定作用，在维持设备长期经济安全运行方面具有一定的实际意义。

大数据分析；电厂锅炉；水冷壁；爆管；失效原因；不同功率

随着国民经济的持续快速增长，发电负荷不断提高，电力市场的缺电局面变得越发严峻［1］。经研究发现，锅炉“四管”泄漏问题严重影响发电机组安全、经济运行。据不完全统计，作为“四管”之一的水冷壁，其泄漏问题是造成电厂锅炉泄漏的最常见故障因素［2-5］。研究其失效问题具有一定的实际意义。

经过文献调查发现，关于火电厂水冷壁泄漏方面的研究已有很多，但每篇文献往往仅局限于某个电厂或某几个电厂，得出的结论对全国范围内的电厂来说适用性不大，因此，有必要对全国范围内水冷壁失效案例做一个统计分析。虽然实际调查结果比较全面，但耗时耗力，完成起来比较有困难，而选用文献调查方法，由于各文献经原作者深思熟虑，对事故原因分析深入、准确，结论性更强。因此，利用文献数据库进行大数据分析，对造成火电厂水冷壁泄漏事故的原因以及机理分类更细致、更精确。本文作者通过对文献数据库中文献进行数据挖掘，分析造成电站锅炉水冷壁爆管的直接原因、间接原因和根本原因，得到不同类型锅炉易发生何种腐蚀，对锅炉水冷壁腐蚀事故的预防及解决起到指导作用，对新建电厂综合考虑选择何种炉型具有一定的参考价值。

本文所调查文献的选取范围为中国知网和万方数据资源系统两个数据库。从该两个数据库共下载关于火电厂锅炉失效分析方面的文章480余篇，从中筛选出270篇对所研究课题有意义的文章。对该270篇文章进行研读，提取有用信息，进行分类、归纳、总结。

1　电站锅炉水冷壁泄漏情况

1.1 电站锅炉水冷壁泄漏原因统计与分析

由于造成电站锅炉水冷壁爆管的原因众多，现分为以下3类来研究：直接原因、间接原因和根本原因。

（1）直接原因 该因素直接造成了水冷壁爆管，例如超温和化学腐蚀等。

（2）间接原因 该因素是通过引发直接原因，进而引起爆管事故的，例如局部磨损、热负荷变动工况引起蒸发冷却周期疲劳和结垢堵塞等。

（3）根本原因 该原因是引起爆管事故的罪魁祸首，是采取改进措施时需要优先考虑的因素，例如燃料粒度不均及燃烧方式不当、材质不良及结构不当、水质不良和焊接质量不良等。

表1显示，超温和化学腐蚀所占比例最大，说明这是造成水冷壁泄漏的两种最直接的原因，其他泄漏因素往往都是通过超温或者化学腐蚀来发挥作用的。随后是燃料粒度不均及燃烧方式不当和结垢堵塞，前者是通过对水冷壁外壁破坏来发挥作用的，是造成水冷壁泄漏的根本原因之一；后者是通过对水冷壁内壁造成破坏来发挥作用的，是水冷壁泄漏的一个间接原因，其往往由水质原因和焊接质量不良等引起，也会与超温共同作用加速水冷壁的泄漏。由于某些文献中根本原因和间接原因区分不大，所以造成统计的数据中，该两类原因所占比例差别不太大。因此，有待进一步扩大文献统计量来进行研究。以上几种因素合计引起的爆漏次数在总爆漏次数中所占比例为65.23%，是水冷壁最常见的几种失效形式。

表1　火电厂水冷壁泄漏技术原因分析

1.2 化学腐蚀发生在水冷壁上的位置统计

由于化学腐蚀的因素比较复杂，所以可以把化学腐蚀作进一步细分，首先按照发生位置进行分类，结果如图1所示。

图1显示，锅炉水冷壁管水侧的化学腐蚀要比火侧严重得多。水冷壁火侧的化学腐蚀机理比较简单，主要为硫化物、焦硫酸盐和氯化物等的腐蚀［6-8］，而且该种形式的腐蚀一般是由燃料质量不良以及燃烧方式不当引起的，只要严格控制煤种的化学成分含量以及炉膛的温度即可。而造成水冷壁水侧的化学腐蚀因素比较复杂［9-10］，有必要作进一步的研究。具体分类见图2。

通过图2可以看出，氢腐蚀、碱腐蚀和酸腐蚀合计引起的爆漏次数在水侧所有由化学腐蚀引起的爆漏次数中所占比例为73.68%，为水侧化学腐蚀因素中应该优先考虑的因素。其中氢腐蚀所占比例比较大的原因可能为，像蒸汽腐蚀、酸腐蚀、汽水品质不良等一些其他因素对水冷壁的腐蚀均会伴随着氢腐蚀。因此，氢腐蚀可看作水冷壁化学腐蚀中的一个间接原因，根源上还是由酸腐蚀以及汽水品质等其他因素引起的。

2　各类功率机组水冷壁泄漏原因分析

据统计，大容量、高参数、高效率、低排放的火电机组自“十一五”以来得到迅速发展，逐渐成为火电设备发展的主流。截止2014年底，我国已投运的百万千瓦超超临界机组超过60台，数量、总容量均居世界首位［11-13］。然而，大容量机组的水冷壁泄漏情况却不甚乐观。

图1　水冷壁化学腐蚀发生位置比较

图2　火电厂水冷壁泄漏技术原因中水侧化学腐蚀因素分类

表2显示，600MW及以上火电机组水冷壁泄漏率最大，其次为200～299MW机组，对于总台数最多的300～599MW机组来说，其水冷壁泄漏率反而排名第三。可见，水冷壁泄漏率跟机组功率是有一定关系的，跟机组总台数［6］关系不大。机组功率越大，水汽系统参数越高，材料所处的环境越严苛，发生腐蚀的概率越高。

2.1 较低功率范围内的锅炉水冷壁泄漏情况

由于国家为了提高发电效率，降低煤耗，实行拆除小机组的政策，小机组的数量较小，报道的文献也较少。所以总体的原因个数也比较少。对比表3和表4发现，随着机组容量增大，超温问题开始变得突出。

表2　火电厂各类功率机组锅炉水冷壁泄漏状况

表3　100～200MW（不含200MW）机组电站水冷壁泄漏原因分析

表4　200～300MW（不含300MW）机组电站水冷壁泄漏原因分析

2.2 较高功率范围内锅炉水冷壁泄漏情况

表5显示，对于300～600MW（不含600MW）机组，由燃料质量不良以及燃烧方式不当等引起的超温问题在该机组范围内水冷壁泄漏中占很大比例，说明当发生水冷壁爆管事故时，该范围机组应首先从燃煤质量以及燃烧方式等方面进行检查。

2.3 高功率范围内锅炉水冷壁泄漏情况

表6显示，600MW及以上火电机组水冷壁腐蚀失效原因中，跟小功率机组相比，超温问题变得更加突出。也即随着机组功率增大，超温问题应该越来越引起重视。

3　水冷壁泄漏原因随机组功率的变化情况

通过表7可以看出，在不同功率机组的水冷壁腐蚀失效原因中，排名比较靠前的90%机组都有超温、燃料质量不良以及燃烧方式不当而引起的腐蚀失效，显然，这两个失效形式需要引起足够的重视，另外，对于100～200MW（不含200MW）的机组，焊接质量不良也是在查找水冷壁失效原因中首要考虑的问题。总体来说，随着机组功率的升高，由超温、燃料质量以及燃烧方式不当引起水冷壁泄漏所占比例增大。而且，往往又会伴随着化学腐蚀、结垢堵塞等。表7为在已知机组功率的情况下，快速查找水冷壁失效原因提供了便利。

表5　300～600MW（不含600MW）机组电站水冷壁泄漏原因分析

表6　600MW及以上火电机组电站水冷壁泄漏原因分析

表7　不同功率机组水冷壁腐蚀的几种主要原因比较

4　电站锅炉水冷壁泄漏主要原因分析和失效机理

4.1 锅炉水冷壁泄漏的根本原因分析

（1）燃料质量问题及燃烧方式调整不当 燃料质量不良包括燃料中各项成分含量不合格［14］，其会引起水冷壁外壁的化学腐蚀，进而使水冷壁外壁变得薄厚不均，导致其受热不均，不同位置形成的温差就很容易引起水冷壁变形；另外，还包括燃料粒径大小不合格，其会增加飞灰、固体颗粒等燃烧产物对水冷壁外壁的冲刷作用，进而对水冷壁造成磨损腐蚀［15-18］。水冷壁的变形和磨损又会进一步引起其受热不均，恶性循环，长时间作用下的结局只能是水冷壁泄漏。

燃烧调节方式不当一方面造成燃烧不彻底，中间产物会对水冷壁外壁造成腐蚀以及冲刷作用，其影响机理同上面燃料质量不合格的作用机理；另一方面，会引起水冷壁外壁受热不均，不同位置存在温差，进而引起水冷壁变形［19-21］。

（2）水冷壁材料不良以及结构不当 水冷壁本身材料不合格会加速其腐蚀以及应力破裂。水冷壁结构设计不合理［22］，会通过磨损以及受热不均等来威胁水冷壁的寿命［23-25］。该因素在设计制造之初可以充分考虑，并且机组开始运行后，尽量不要轻易改变其最初设计制造时的很多运行条件［26-27］。

（3）水质不良 水质不良会引起水冷壁内壁的化学腐蚀以及结垢堵塞，进而使水冷壁受热不均，导致变形甚至泄漏。该因素通过严格控制给水各项化学指标来减小其影响［28］。

4.2 水冷壁泄漏的间接原因分析

（1）局部磨损 局部磨损往往是由燃料质量不良以及燃烧方式不当、结垢堵塞等引起的。其表现方式为：①其物料颗粒具有粒径、浓度和表面硬度比较大等特性，对器壁磨损严重；②运行参数如温度过高和烟气流动过大等，会加速水冷壁的局部磨损［29］；③局部堵塞后，高温蒸汽由于受阻，会加速对管壁冲刷作用［30-31］；④在有裂口处，蒸汽量瞬间增大，增大其对管壁的冲刷，加速水冷壁管的泄漏［32］。

（2）热负荷变动工况蒸发冷却周期疲劳 该因素作用机理为，当炉内局部热负荷过高而造成水冷壁管发生膜态沸腾时，有大量气泡急剧产生而形成汽膜。一旦形成汽膜后，因热导率变低而产生局部过热，随后的瞬间汽膜消除，溶液又流向给水造成急冷。这样急冷急热反复交替，引起管壁温度周期性波动，造成很大的热应力，导致保护膜破坏、腐蚀加剧，使管壁的横向裂纹不断增生和扩展［33-36］。

（3）结垢堵塞 结垢堵塞往往是由燃料燃烧质量不良以及燃烧方式不当和水质不良等原因引起的。另外，水冷壁的异物堵塞和超温过热爆管又是相互影响的。一方面，管子长期超温过热运行，会伴随有涨粗现象［37］，进而结垢堵塞；另一方面，异物堵塞引起管内工质流量减小，从而引起管子短期超温过热，这两种作用持续加剧，就会加剧水冷壁管子爆管。

4.3 水冷壁泄漏的直接原因分析

（1）超温 引起超温的主要因素为：①电站锅炉由于失控超温导致锅炉过负荷运行，从而引起超温腐蚀［38］；②电站锅炉水冷壁由于管内严重结垢，产生异物堵塞，从而造成汽水循环不良、蒸汽分配不均等问题，进而使水冷壁超温腐蚀［39-40］；③煤质问题。有些煤的燃烧性能较低，大量未燃烬煤粉颗粒聚集在水冷壁附近，形成还原性气氛，造成高温腐蚀［41-43］；④一些改造过的特殊燃烧器的影响等［44-46］。

（2）化学腐蚀 化学腐蚀分为内壁腐蚀和外壁腐蚀。内壁腐蚀往往是由水质不良等因素［47］引起的，表现为锅炉水冷壁管内壁坑坑洼洼［48-49］，薄厚不均，受热不均衡，最终破裂［50-52］；外壁往往是燃料质量不良以及燃烧方式不当等因素引起的，表现为在水冷壁外壁形成硫化物、铁硫化物、氯化物等沉积物，使管外壁受热不均，加速泄漏［53-54］。

4.4 水冷壁泄漏事故的原因查找方法

超温和化学腐蚀这两个因素均是由以上一些因素引起的，是造成水冷壁泄漏的直接原因而非根本原因。要想调查某次水冷壁泄漏的根本原因，还得从以上几种因素中入手。但是，了解超温和化学腐蚀造成水冷壁泄漏的机理以及损坏后的结构特点还是很有意义。

超温往往引起变形，展现出金属高温灼烧的一些颜色以及脆性转变温度上升等特征。其引起因素比较多，往往机组功率越高，发生超温腐蚀的概率大些。

化学腐蚀一般表现为孔蚀、点蚀等。表面坑坑洼洼比较多，但往往化学腐蚀又会伴随着高温腐蚀，二者总是共同作用的。如果外壁坑洼较多而造成薄厚不均，往往是燃料质量不良以及燃烧方式不当引起的；如果内壁坑洼较多而造成薄厚不均，往往是水质不良引起的。

判断某次锅炉水冷壁泄漏的原因，需从根本入手，燃料质量不良以及燃烧方式不当，焊接质量不良和水质不良等，如果发现有结垢堵塞和磨损等现象，这些都属于间接原因，要想解决问题，还得深入调查，寻找其根本原因。通过统计结果来看，燃料质量、燃烧方式不当这个根本原因以及超温这个直接原因引起泄漏所占的比例比较大。可以考虑如何从这些方面进行防范。

5　结　语

（1）通过数据定性分析得出，造成水冷壁泄漏的直接原因是超温和化学腐蚀；间接原因是结垢堵塞、热负荷变动工况引起蒸发冷却周期疲劳和局部磨损等；最根本的原因是燃料粒度不均及燃烧方式不当、材质不良及结构不当、水质不良和焊接质量不良等。在所有锅炉水冷壁泄漏事故中，超温和化学腐蚀作为造成爆管的直接原因，分别占21.27%和18.73%，作为根本原因之一的燃料粒度不均以及燃烧方式不当占14.44%，以及器壁结垢堵塞作为水冷壁管泄漏的一个间接原因占10.79%，这几种因素合计引起的泄漏次数所占比例高达65.23%，在实际运行中应给予较多的关注。

（2）根据水冷壁发生化学腐蚀的位置统计，结果显示，锅炉水冷壁水侧和火侧发生化学腐蚀的概率分别为64.41%和35.59%。可见，水侧的化学腐蚀要比火侧严重得多。水冷壁火侧的化学腐蚀机理比较简单，主要为硫化物、焦硫酸盐和氯化物等的腐蚀，水侧化学腐蚀因素比较多，其中，氢腐蚀占 36.84%，碱腐蚀占 21.05%和酸腐蚀占15.79%。这3种化学腐蚀因素合计引起的爆漏次数在水侧所有由化学腐蚀引起的爆漏次数中所占比例为73.68%，为水侧化学腐蚀因素中应该优先考虑的因素。

（3）通过研究不同功率机组发生锅炉“四管”泄漏情况，得到泄漏次数所占比例随着机组功率的增大而增大，跟机组总台数关系不大。最容易发生泄漏的是600MW及以上火电机组。

（4）通过分析不同功率机组水冷壁泄漏原因类型，得到表 7。如果已知机组功率大小，在查找其水冷壁泄漏原因中，可以参考表7中顺序进行，给电厂事故的高效快速处理带来了便利。

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Failure investigation on boiler water wall tubes in power plant by large data analysis

SHI Rongxue1，ZHANG Shiyi2，ZHANG Shenghan1
（1Department of Environment Science and Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，Hebei，China；2School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

This paper is based on the literature survey，after collecting the power plants' water wall tube burst accident data，and making research on the 270 pieces of literature on boiler water wall tube explosion accident，it comes to the conclusion that the direct reasons for the tube explosion of boiler water wall in power plant are overheating and chemical corrosion which accounted for 21.27% and 18.73%，respectively.The improper boiling way and uneven grain size of burning fuel which serves as the primary causes accounted for 14.44% and the deposition jams on the wall which is one of the indirect causes accounted for 10.79%.The summation of these main reasons can make up for 65.23% in the total number of explosive leakage.When boiler water wall tube leakage happened，the above reasons were the first to be considered.Also，the material quality and abrasion are the explosion factors.Chemical corrosion is divided into fire side and water side by the occurred places，which account for 35.59% and 64.41%，respectively.The factors of the water side chemical corrosion can be classified into hydrogen corrosion accounted for 36.84%，alkali corrosion accounted for 21.05%，acid corrosionaccounted for 15.79% and steam corrosion accounted for 11.84%，respectively.The summation of the four kinds of corrosion types can make up to 85.52% in the total number of corrosion factors.These are priorities in the factors that should be considered.In addition，it discusses the water wall failure of different units.The above conclusions have some certain effect on the finding of water wall leakage reasons in the existing plants，and these have a certain practical significance to ensure long-time stable，safe and economic operation of boilers.

large data analysis；power plant boiler；water wall tube；leakage；failure analysis；different units

TK 224.9

A

1000-6613（2016）09-2640-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.002

2016-01-13；修改稿日期：2016-02-28。

中央高校基本科研业务费专项资金项目（2015XS118）。

石荣雪（1989—），女，博士研究生。E-mail srxdyx1234@163.com。联系人：张胜寒，教授，研究方向为金属腐蚀与防护。E-mail zhang-shenghan@163.com。