电厂高压加热器热交换钢管的检验及缺陷分析

刘全喆

摘 要：随着经济的发展，推进了我国电力行业获得了飞速发展。然而在电力行业的发展过程中，高压加热器是火力发电厂的重要辅助设备，它的缺陷将严重影响机组的安全和经济运行。本文首先对高压加热器泄漏现象及电厂高压加热器热交换钢管的宏观检验进行了概述，详细探讨了电厂高压加热器热交换钢管的缺陷，并提出了相应的措施和建议，旨在促进我国电力行业的稳定发展。

关键词：电厂高压加热器；热交换钢管；检验；缺陷分析

回热加热系统的运行可靠性和运行性能高低，直接影响整套机组的运行经济性，加热器的投入率是经济指标中重要的一项考核指标。随着火力发电厂机组向大容量高参数发展，高压加热器（以下简称高加）承受的给水压力和温度相应提高；在运行中还将受到机组负荷突变、给水泵故障、旁路切换等引起的压力和温度的骤变，这些都会给高加带来损害。同时高压加热器是给水循环的一个重要组成部分，是利用汽轮机抽汽加热锅炉给水的热交换器，是提高电厂热经济性的重要辅助设备。高压加热器的故障，不仅是经济问题，亦涉及汽轮机及锅炉的安全问题，故应给予高度重视。根据统计，所有报废和在用高加本身故障中，热交换管系泄漏事故是最常见的故障，占70%以上，因此除了在高压加热器的设计、制造和安装时必须保证质量外，还要在运行维护等方面采取必要的措施，才能确保高加的长期安全运行。

1 高压加热器泄漏现象

高加水位高信号报警，泄漏检测仪亦报警，另外还有高加端差增大，远远高于正常值。由于高加泄漏，水侧大量漏入汽侧，通过疏水逐级自流入除氧气，为使汽包水位正常，则给水泵转速增加，给水流量增大。高加泄漏后，由于传热恶化，则造成给水温度降低。高压加热器是利用机组中间级后的抽汽，通过加热器传热管束，使给水与抽汽进行热交换，从而加热给水，提高给水温度，是火力发电厂提高经济性的重要手段。由于300 MW机组高加水侧压力（20 MPa）远远高于汽侧压力（4 MPa），当传热管束即U型管发生泄漏时，水侧高压给水进入汽侧，造成高加水位升高，传热恶化。

高加泄漏后，会造成泄漏管周围管束受高压给水冲击而泄漏管束增多，泄漏更加严重，必须紧急解列高加进行处理，这样堵焊的管子就更少一些，高压泄漏后，由于300 MW机组高加水侧压力20 MPa，远远高于汽侧压力4 MPa，这样，当高加水位急剧升高，而水位保护未动作时，水位将淹没抽汽进口管道，蒸汽带水将返回到蒸汽管道，甚至进入中压缸，造成汽轮机水冲击事故。高加停运后，还会使汽轮机末几级蒸汽流量增大，加剧叶片的侵蚀。高压加热器的停运，还会影响机组出力，若要维持机组出力不变，则汽轮机监视段压力升高，停用的抽汽口后的各级叶片，隔板的轴向推力增大，为了机组安全，就必须降低或限制汽轮机的功率，从而影响发电量。高加泄漏，每次处理顺利时需要30 h，系统不严密时，则工作冷却时间加长，直接影响高加投运率的目标。

2 电厂高压加热器热交换钢管的宏观检验

用氧乙炔火焰分段解剖此高压加热器，并进行宏观检验。

a）解剖前的宏观检验

解剖前对高压加热器进行宏观检验，发现该报废高压加热器外形良好，管壁厚未见减薄。

b）割开热交换管弯管部位外壁的宏观检查

将该报废高压加热器U形热交换管弯管部位外壁割开后进行宏观检查，发现位于分隔板以上蒸汽凝结区的熱交换管段外观良好无变形，但管壁上几乎全部结有黑垢，形成高温氧化膜，氧化较严重，许多部位发生了锈蚀，但保持正常的漆色；位于分隔板以下蒸汽凝结区的热交换管段外观良好无变形，颜色还保持了少量的红漆色，仅有部分黑垢，没有减薄迹象，分隔板则保持着正常的漆色。

c）割开过热蒸汽冷却区外壁管的宏观检查

将该报废高压加热器过热蒸汽冷却区外壁割开后进行宏观检查。在过热蒸汽冷却区，热交换管的外侧从过热蒸汽入口处至蒸汽凝结区均有黑垢，严重氧化。在可见到的外3层管排有近40根管子已发生不同程度的泄漏，有的管子已经完全断裂，有的管子单侧爆漏，这些管子均有明显的减薄现象，剩余壁厚不足1 mm。虽然很多管子没有出现泄漏，但已出现不同程度的拉伸减薄、直径变小现象，且所有的缺陷位置基本上集中在隔板下。

d）涡流检验

对已解剖侧的外3层管排由外向内进行远场涡流检测，检验方式为每排管数随机抽检。涡流检验目的在于验证管排位置与缺陷分布的关系。检验结果发现，越外层的管排缺陷管的比例越高，并且缺陷程度越严重。

3 缺陷分析

由于高压加热器热交换钢管产生缺陷的原因复杂多样，不同类型的高压加热器产生缺陷的类型、分布位置、产生原因均不同。具体如下：

（1）缺陷位置比较集中

卧式高压加热器热交换管有缺陷的位置主要集中在过热蒸汽冷却区，泄漏管段位于热交换管的近端口处，集中在过热蒸汽进口区域的几个隔板附近。这一点与立式高压加热器泄漏管段集中在热交换管近弯管处（即立式高压加热器下部）隔板附近有很大的区别，这与立式高压加热器和卧式高压加热器的结构有关。

（2）受热交换管发生剧烈振动、隔板之间发生强烈摩擦的影响

过热蒸汽冷却区热交换管发生剧烈振动与隔板之间发生强烈磨擦是造成管子泄漏的主要原因。管子最终发生破坏的形式有多种。

a）管子多个方向发生剧烈振动，管壁磨损减薄后形成环形凹槽。高温下，管子受热卡在隔板处不能自由月彭胀，造成一端在隔板处受阻，另一端受热应力作用拉伸减薄，产生缩颈，并在应力作用下拉断。这种情况整根管子完全断裂，泄漏严重。

b）管子一个方向发生剧烈振动，管子单侧磨损减薄，当壁厚减薄到一定程度，受管内很高水压（大于20 MPa）的作用，冲破管壁而发生破坏。

c）管子多个方向发生剧烈振动，管壁磨损减薄后形成环形凹槽。当管子受热时卡在隔板处不能自由膨胀，造成一端在隔板处受阻，另一端受热应力作用拉伸减薄，当壁厚减薄到一定程度，受管内很高水压（大于20 MPa）的作用，冲破管壁而发生破坏。这种情况往往爆口很大，泄漏严重。

（3）运行工况及介质的影响

高压加热器运行时，来自汽轮机的抽汽，先经过过热蒸汽冷却区，冷却其过热度，然后进入蒸汽凝结区凝结成疏水，疏水再经过疏水冷却区，进一步放出热量。在这个过程中，当高压加热器运行时，直接承受高温蒸汽冲刷最外层的管排振动最剧烈，管壁磨损减薄最严重，发生爆管概率就最高。

从宏观检查的结果还可知，当最外层的管排发生爆管断裂后，第二层管排就直接承受高温蒸汽的冲刷的同时，已爆管的管子，管内给水泄漏，这样夹杂着疏水的高温蒸汽对管子的破坏力更强，已爆管的管子的周围管子和第二层管子很快发生破坏，如此循环，就形成连续破坏。从这次解剖的试验中了解到，这种破坏方式具有一定的普遍性。

（4）高压加热器制造上的问题

被解剖区域是封闭区域，但在里面发现常用工具砂轮片扳手和一个空心金属短棒，这些物体可以判断为高压加热器制造时留下的，它们会影响管子的正常运行，但无法判断其影响程度。

（5）不锈钢金属垫片可能因意外掉入蒸汽入口或使用中破裂，产生金属丝，在高压高温蒸汽冲击下，被冲入过热蒸汽包壳端角处，高速旋转翻滚，对端角处换热管产生严重的切割和磨损，导致管壁减薄，不能承受内部冷却水高压，产生爆管。

（6）局部磨损减薄处产生微小泄漏，属冷却水泄漏，但在过热蒸汽中汽化产生局部汽水两相，不仅会引起管束强烈震动，还对泄漏处产生严重的汽蚀损伤，不断冲刷和腐蚀金属表面产生麻点状缺陷，此类泄漏最初由于水量较小，水位报警不易发现，当缺口增大泄漏严重时方能报警。

（7）爆管后，虽然采取了堵管措施，该高加先后封堵过5次，理论上应该爆管趋势得到控制，但是事实上反而更进一步加剧，排除工艺上压力波动的可能则说明内部管子不断被损坏导致不断破裂。由于未清除金属丝和爆管产生的管束金属碎片，使其继续在包壳内对其他管束产生损伤，其细小碎片进入管束内部，导致受损伤的管束数量不断增加，造成更大范围的影响。由于内部管子受到金属丝切割和摩擦导致的减薄不是立刻形成的（理论计算达到爆破时，管束壁厚需要减薄到0.6-0.7 mm），从现场检查情况也可以看到许多管子被损伤但未破裂。我们认为是在前几次堵管后，一些受损伤的管子未泄漏，但由于内部金属丝未清除，其最小壁厚也不断向爆破临界点发展，由于外界压力的波动，或某根爆管后产生汽水两相和冷却水冲击，导致的连锁反应，从而造成大量突发的破坏。

（8）在泄漏后，因局部存在汽水两相，引起管束强烈震动和串动，管束互相摩擦，管子和隔板摩擦，造成减薄破裂，从宏观检查情况可以反映出这一情况。

（9）由于堵管范围不断加大，造成管束内冷却水压力大大增加，流速增加，引起管束的震动加大，压力加大加速了管束的破裂。

4 建议和措施

通过这次对高压加热器的解剖检验及其缺陷分析，可以对国内同类卧式高压加热器的运行和檢验提出以下建议和措施：

（1）高压加热器的运行参数要严格控制。在高压加热器投入和切出时要严格控制高压加热器的温升率、温降率，防止高压加热器热交换管受到过大的热应力作用，尽量避免高压加热器因泄漏而退出运行。

（2）高压加热器产生缺陷的管段几乎都集中在过热蒸汽冷却区隔板附近，且大多集中在外面几层管排。这样，应结合大小修，加强对同类卧式高压加热器热交换管进行定期检查，尤其是最外面两层管排，发现有泄漏、减薄、变形的管子要及时采取措施，避免管排发生连续破坏。这对延长高压加热器的使用寿命，减少高压加热器泄漏尤为重要。由于高压加热器热交换管为对称分布，过热蒸汽冷却区和与之相对的区域应作为重点监督、检验的部位。高压加热器热交换管产生缺陷的原因复杂多样，不同类型的高压加热器产生缺陷的原因、缺陷分布位置、缺陷形式均不同。这主要与高压加热器的运行工况有关。

（3）对高压加热器的运行参数要严格控制。同时在高压加热器投入和切出时，要严格控制温升率和温降率，防止管板、管子、隔板受到过大的热应力作用而发生变形，如堵管数量较多应考虑水压和流速的影响。

（4）结合机械设备的大、小修，加强对高压加热器热交换管进行定期检查，以确定管子的泄漏、冲刷、减薄等情况，并根据管子状况及时采取措施，尽量避免高压加热器因泄漏而退出运行。国内目前高压加热器主要事故多数发生在疏水冷却区管段，本高压加热器事故原因有一定的特殊性，对此两部位均应加强日常性检查。

（5）如法兰垫圈有损坏要及早更换，防止被冲进高压加热器对热交换器钢管造成危害。为防止垫圈内圈被冲刷破坏可采用带内环保护的金属缠绕垫片。

5 结束语

综上所述，在电力行业发展的过程中，高加热交换钢管产生缺陷的原因复杂多样，这就限制了电力行业的发展。因此，必须对电厂高压加热器热交换钢管进行检验及缺陷分析，只有这样才能促进电力行业的良好发展。

参考文献：

[1]童亮，刘红文，钟万里，陈瑞龙，莫乾凯. 云浮电厂高压加热器热交换钢管的检验及缺陷分析[J]. 广西电力工程，2001，01：50-52.

[2]李治中. 高压加热器运行常见故障及应对措施分析[J]. 科技创新与应用，2016，No.15204：76