CFB 锅炉二级减温器裂纹故障分析及处理

李 伟

（中国石化茂名分公司热电分部，广东茂名 525011）

0 引言

在生产作业过程中，CFB（Circulating Fluidized Bed boiler，循环流化床锅炉）二级减温器裂纹故障发生的频次非常高，严重影响了系统的正常运转。因此，工业企业在现代化的发展过程中，要根据CFB 锅炉二级减温器故障的相关原因，来采取有效的裂纹控制手段，消除锅炉系统运行中的各种风险。

1 减温器结构及作用

根据CFB 锅炉的结构设计特点，减温器是锅炉系统中的关键构成，在整个的锅炉系统运行中发挥着不可替代的作用。该锅炉采用两级喷水减温器来进行过热汽温的有效调节，其中，第一级喷水减温器处于一级过热器出口集箱到屏式过热器进口集箱的连接管道，左右各设计有一个，设计喷水量全部处于这一级中，锅炉运行中起着主要的调节与控制作用，在一定程度上可以将屏式过热器管壁温度控制在合理的范围内。第二级减温器处于屏过出口集箱到二级过热器进口集箱的导管上，同样在左右各设计了一个，在锅炉运行中，当一级减温器喷水量受到了限制以后，就要启用这一级别的减温器。

在该锅炉系统中，一、二级左右侧的喷水减温器，均使用的是旋涡文丘里式喷水减温器，这种特殊的减温器类型整体结构包含了筒体、喷头、文丘里混合管、衬套。在减温器的运行过程中，因为在文丘里式管端部设置有一个旋涡喷嘴，该旋涡喷嘴的雾化作用非常突出，减温水经过旋涡喷嘴的雾化处理以后，进入文丘里管与蒸汽直接混合，整体结构简单，保障了二者之间良好的混合效果，减温幅度非常大。

2 设备概况

某工业企业的动力车间2#CFB 锅炉B0102，设备型号为FW-410/9.81-M004，介质主要为蒸汽，设计负荷410 t/h，设计压力9.81 MPa，设计温度535 ℃。在该锅炉系统的运行过程中，CFB 锅炉二级减温器存在裂纹故障频发的问题，严重影响了锅炉系统的正常运转。根据裂纹情况所引起的停工情况分析，其停工经过如下：某年9 月21 日上午，班组在操作的过程中，发现2#炉6 楼北侧部位的二级减温水入减温器的保温铝皮部位存在冒汽情况，根据生产经验，这一问题可能是由于此部位的泄漏所引起的，有关人员发现这一问题后，及时上报了相关部门，检查发现在锅炉二级减温器母线外表面有一条长120 mm 的裂纹。

3 CFB 锅炉二级减温器裂纹故障分析

3.1 主要问题及检查情况

在该CFB 锅炉中发现二级减温器裂纹故障以后，为避免裂纹对生产的直接影响，减小经济损失，有关部门立即组织相关人员对现场的裂纹情况进行了检查。检查发现，二级减温器故障部位集箱材料的材质符合相应的标准；集箱硬度最高110 HB，根据特定标准，其硬度值最好控制在125～179 HB，对比发现集箱硬度低于正常标准；经由金相检查，球化级别为3 级，属于轻度球化；UT 检查结果表明，故障部位的裂纹长度360 mm。

经由内窥镜检查，在减温器北侧内套筒缩颈处焊缝位置存在着明显缺陷，根据对现场缺陷的进一步分析，发现在内套筒中存在微孔洞；二级减温器北侧内套筒焊缝处的裂纹问题明显；南侧内套筒处焊缝处同样伴随着裂纹现象的发生。经专业检测机构对故障部位的全面检查后发现，二级减温器南北侧内套管焊缝裂纹更为明显，北侧内套筒缩颈处存在焊缝扩展情况。

3.2 直接原因分析

根据该工业企业中锅炉系统的运行情况，CFB 锅炉二级减温器处的运行情况如下：减温水温度和蒸汽管温度分别为205 ℃、480 ℃，根据现场的全面检查，内套筒水室出口侧焊缝处存在着一定的裂纹分布，该部位的裂纹与集箱裂纹的方向基本相同。由此基本上可以判定，集箱裂缝的直接原因为内筒孔洞与焊缝裂纹缺陷所致。当这一问题出现以后，内筒对集箱的保护功能丧失，没有被完全汽化的减温水和蒸汽充分混合以后，所形成的混合物会直接送达集箱内壁。根据生产实际，对于壁厚为40 mm 的钢材，当温度变化为0.9 ℃/s 的情况下，可能会导致内外壁出现50 ℃左右的温度差异，正是这种温度差异使得在该部位没有被充分汽化的减温水一旦接触到了集箱内部，交变温度应力的反复作用引起裂纹的出现。对内套筒裂纹而言，喷口处于频繁的喷水减温条件下，热交变应力作用下，应力集中部位可能会引起热疲劳裂纹。

根据锅炉运行现场的工况条件分析，CFB 锅炉长时间保持在低负荷工况条件下，这一运行工况时的二级减温水可能维持一段时间的喷水或者停止喷水过程中。结合锅炉运行情况，当锅炉负荷处于230 t/h 以内的状态下，二级减温水不投入使用就可，一旦锅炉运行负荷超出了280 t/h 限值，二级减温水将长期投入使用。3#CFB 锅炉在投入使用以后，2#锅炉的运行负荷长期保持在240～270 t/h，尤其是在1～9 月，2#锅炉的运行负荷为256 t/h，平均减水温量达到了0.99 t/h，当锅炉处于吹灰条件下时，减温水调节阀处于自动控制的条件下，对减温水的调整和投切相对频繁，当处于低减温水流量的情况下，减温器的雾化效果难以保障，也就增加了二级减温器的热疲劳裂纹故障概率。

减温器裂纹故障也可能是由于结构设计缺陷、安装问题所引起的，根据专业人员拍摄的现场实物照片，发现在减温器内部热交变应力作用下的破坏从应力集中部位开始。北侧二级减温器内套管外壁固定支撑点处的磨损问题非常严重，在制造厂安装的过程中，固定支撑点的打磨量超出了正常标准，导致集箱与内筒之间的间隙过大，当在严重的汽流激振作用下，内筒混合段筒体存在高频抖动的问题，这一问题加剧了相关部位零部件的机械疲劳裂纹产生。当然，在这一条件下，环形喷嘴和文丘里管设计存在一定的设计缺陷和漏洞，因为在锅炉运行的过程中，喷入水和气流呈现出相互垂直的状态，且二者之间的距离比较短，当内套管中出现了裂纹以后，减温水可能会与外管壁直接接触，引起外部管线的损伤和破坏。

3.3 可能原因分析

二级减温器内套筒环形焊缝位置处，根据相应的设计图纸标准，在设计的过程中并未严格要求100%焊缝的RT 检查，仅仅要求做100%PT 检测，因此，北侧二级减温器内套筒缩颈处的裂纹，可能是由于焊接工艺应用不当所引起的。

3.4 管理原因分析

管理因素同样是引起CFB 锅炉二级减温器裂纹故障的重要原因，相关管理机构在锅炉系统的运行过程中，并未及时评估锅炉处于低负荷运转状态下时对于二级减温器造成的直接影响，在后续检修维护的过程中，并未做好对二级减温器的检查，对裂纹故障的发现和处理不够及时。

根据上述分析，该CFB 锅炉裂纹是由于二级减温器内套管设计缺陷引起的，当然还有很多方面的原因，CFB 锅炉低负荷运行工况条件下有着对应的二级减温器内套管设计标准，当存在设计缺陷的情况下，裂纹发生概率较高。减温器内套管长期受到冷热交变应力的作用，导致在文丘里缩颈处环形焊缝部位出现了明显的开裂。

4 裂纹故障处理

（1）根据锅炉系统的运行工况要求，对减温减压器加以适当的结构优化，条件允许的情况下改变部分材料材质和内套筒的固定，尽量使内外套筒的材料一致。

（2）2#锅炉已更换减温器内套筒材料，往往仅能够维持3～6个月的运行周期。1#锅炉的投运周期虽然较长，但是其整个的运行工况与2#锅炉运行有着极高的相似度，在这一运行条件下，可能存在内套筒甚至集箱损坏的情况，在未完全更换减温器之前，锅炉系统存在着一定的安全风险。为了适当延长1#、2#锅炉的运行周期，可以在锅炉系统运转的过程中，适当进行3 台锅炉的运行负荷分配。当3#锅炉运行负荷在330～370 t/h 之间时，运行负荷调整要以3#锅炉作为基础，将1#、2#锅炉的运行负荷保持在220～240 t/h 的稳定负荷条件下；当3#锅炉运行负荷达到了370 t/h 甚至更高的条件下时，如果依旧难以达到锅炉系统的运行要求，适当提高2#锅炉的运行负荷，降低3#锅炉的运行负荷。

（3）做好日常的锅炉检修与维护。在3#锅炉的检修中，保持其他两个锅炉的高负荷运行工况条件，使得二级减温水可以连续运行。当锅炉总体负荷在800 t/h 以内时，对1#、2#锅炉的二级减温器运行条件加以适当的优化。

（4）在1#、2#锅炉处于吹灰阶段时，为降低裂纹的出现概率，要适当降低其运行负荷且避免二级减温水的投运。一旦外部的用汽负荷在短时间内出现了很大的波动，要首先满足系统平衡运行的标准，总体工况处于稳定状态后方可进行相应的调整。

（5）因为锅炉系统运行的过程中会受到DCS 自控系统的干扰，生产负荷不满足减温水投自动的状态下时，1#、2#锅炉二级减温水调节阀最好选用手动调节的方式。

（6）不断完善对二级减温器的巡查处理，不断针对整个系统的运行工况对二级减温器做好日常的巡查和检修，及时发现其中潜在的裂纹故障并加以处理，避免裂纹的扩展。

5 结束语

现阶段，CFB 锅炉系统在工业生产领域广泛应用，二级减温器是这一锅炉系统的关键构成，但该部件运行中的裂纹故障较为常见，影响了系统的可靠运转。因此，企业在实际的生产中，要针对二级减温器的裂纹类型和原因，采取针对性的措施，最大程度上保障CFB 锅炉的可靠运转。