超临界循环流化床锅炉外置床失效案例分析及优化措施

代泽华，龚兴利，辛胜伟，刘昌旭，王 成，张 虎

(1.四川白马循环流化床示范电站有限责任公司，四川 内江 641005；2.神华国能集团有限公司，北京 100033)

循环流化床锅炉是自20世纪80年代开始在国际上发展起来的一种高效、低污染的清洁燃烧设备，是电站锅炉的后起之秀[1]。在环境问题日益严重的今天，煤炭的高效清洁利用愈发受到关注，循环流化床燃烧技术因其具有燃料适应性广，负荷调节能力强，污染物排放低等众多优点，在中国得到广泛运用[2]。截至 2017年8月，中国已成为世界上拥有在用超临界循环流化床锅炉最多的国家，达14台，总装机容量达到5 150 MW[3-5]。超临界循环流化床(CFB)具有煤种适应性广、SO2炉内脱除成本低、NOx原始生成低等优点，是大规模燃用高灰分、低热值劣质燃料的最佳选择[6]。外置式换热器是大型循环流化床锅炉的关键部件，可以通过控制进入换热器内循环的灰流量，灵活调节炉内和炉外受热面的吸热比例，使受热面布置更加灵活[7]。锅炉采用循环流化床燃烧，采用高温冷却式旋风分离器进行气固分离[8]。循环流化床锅炉的安装和运行，必须充分考虑其重复燃烧及其传热的特殊性[9]。在环保标准提高，资源综合利用和洁净煤燃烧技术推行后[10]，循环流化床锅炉的循环系统主要有3个主要部件，分别是旋风分离器、回料器和外置床[3]。反应物和燃料在锅炉中处于高温状态，并在整个锅炉系统中循环流动，从而提高燃料的利用率[8]。有研究者在大型循环流化床锅炉外置床的实际应用过程中发现，外置床使用过程中会发生一定的失效现象，最为明显的2类失效现象分别是金属热膨胀磨损和受热面在运行过程中因流化风和床料颗粒引起的扰动磨损，其他部位的磨损比较小。

四川白马循环流化床示范电站有限责任公司(以下简称白马)超临界循环流化床机组配置了东方锅炉厂生产的 DG1900/25.4-II9锅炉[2]，于2013年4月14日投入商业运行。该锅炉是中国自主研发的超临界循环流化床直流锅炉，采用双布风板单炉膛、平衡通风、一次中间再热、循环流化床燃烧方式，重复利用外置式换热器调节炉膛床温及过热、再热蒸汽温度，采用高温冷却式旋风分离器进行气固分离；锅炉整体呈左右对称布置，支吊在锅炉钢架上。锅炉左右侧对称布置有共6台外置床，炉右侧从前到后依次为 A、B、C外置床，炉左侧从前到后依次为 D、E、F 外置床。2015年5月15日，循环流化床锅炉发生泄漏，经现场检查，F外置床部分管道发生开裂并出现破口；2018年3月15日，循环流化床锅炉又一次发生泄漏，经现场检查，C 外置床多根管道存在泄漏点。本文对上述外置床管道失效案例进行分析，并提出了优化措施。

1 锅炉外置床管排失效案例

C外置床与F外置床内部均布置中温过热器Ⅰ，受热面布置形式均为蛇形管平行于灰流动方向。中温过热器Ⅰ布置38片屏，蛇形管规格为51 mm×8 mm，材质为SA-213 TP347H，采用吊挂管固定，吊挂管规格为44.5 mm×7.5 mm，外置床内材质为SA-213 TP347H。蛇形管为穿墙管三通后的分支管，三通前管道规格为63.5 mm×8.5 mm，材质为SA-213 TP347H。蛇形管排与吊挂管之间采用H型垫块、V型垫块和耳板连接，垫块焊接在蛇形管上，耳板焊接在吊挂管上。垫块、耳板材质均为ZG16Cr20Ni14Si2。

2015年5月15日，现场检查发现，F外置床靠炉膛侧的第4根(从后至前数)吊挂管中段耳板下方存在一环形裂纹和一明显破口，第3根吊挂管存在一破口，但无环形裂纹；周边的蛇形管道存在不同程度的冲刷痕迹，部分管道有冲刷破口。从吊挂管裂纹情况及周边冲刷痕迹判断，第4根吊挂管环形裂纹处是第一泄漏点，蒸汽泄漏后直接冲刷到第3根吊挂管，造成第3根吊挂管破口泄漏，同时吊挂管泄漏射出的蒸汽冲刷周边蛇形管排，造成蛇形管排冲刷磨损。

2018年3月15日，经现场检查发现，C外置床有15根管道存在泄漏点，23根管道存在损坏，其中第5排第2层管道是第一泄漏点，泄漏的蒸汽冲刷周边管道。因第5排第2层管道破口倾斜向下，泄漏蒸汽直接冲刷到第6～9排第1层的防止管排晃动的连接板上，蒸汽射流因此改变方向冲刷第5排管道周边的承压部件，即沿着第1层和第2层管道之间的通道射流，进而直接冲刷第1层管道上部分及第2层管道下部分，造成第9～17排第1层管道上部分、第2层管道下部分磨损。

2 锅炉外置床管排磨损分析及改进措施

2.1 磨损分析

循环流化床锅炉外置床管排的磨损失效通常有冲蚀磨损和微振磨损2种。冲蚀磨损由外置床内部循环的颗粒撞击管排而产生，可细分为2种类型，分别为撞击磨损和冲刷磨损[8]。冲刷磨损主要是由摩擦形成的，外置床内循环的颗粒以一定的角度撞击受热面时，会在相应的位置产生摩擦，由于颗粒表面并不是光滑的，存在一定的棱角，因此会对受热面造成一定的刮伤。撞击磨损是外置床内循环的颗粒以较大的角度撞击受热面而形成的，随着撞击次数的增多，磨损范围会逐渐扩大，严重时受热面表层还会出现脱落的现象[9]。实践表明，冲刷磨损是主要的冲蚀磨损形式，但是当循环颗粒较多时，撞击磨损现象也会很突出。微振磨损是由外置床固定元件之间的相互摩擦而产生的，主要发生在传热管壁与其固定部件之间。在外置床内部没有运转时，这2个部件之间是相对静止的。当有高温物质在外置床内部形成内循环时，传热管壁与其固定部件的温度都会随之升高，但是由于二者材料不一样，热膨胀产生的变形量不同，遂导致相对运动的产生。微振磨损是随着温度变化而逐渐产生的。关于撞击磨损和冲刷磨损，颗粒的形状和撞击速度对受热面磨损程度有着直接的影响。颗粒形状越不规则，撞击速度越快，就越容易使受热面产生磨损。至于微振磨损，其产生的根本原因为没有对自由管卡进行限位。当管排发生运动时，其对应的管卡也会运动，使得管卡与吊杆之间发生相对运动而形成磨损。

由C外置床和F外置床受热面管排失效案例分析发现：吊挂管耳板采用焊接方式与吊挂管连接，耳板焊缝强度较高；在高温状态下，热应力导致吊挂管开裂形成环形裂缝，高温蒸汽泄漏冲刷其他受热面，造成周边受热面冲刷磨损。

外置床采用焊接方式固定吊挂管耳板，以起到防止振动的效果。吊挂管、蛇形管排焊缝数量较多，存在焊接应力，而机组运行又会产生膨胀热应力和振动冲击力。在上述多种作用力的相互作用下，在外置床内吊挂管最薄弱处易产生裂纹，裂纹扩展即导致泄漏。吊挂管环形裂纹产生的位置较为隐蔽，空间较为狭窄，因此在日常防磨防爆检查中缺少有效手段对此位置进行检查。此外，为了防止外置床管排振动，采用了 H 型钢垫块将上下管排焊接连接的固定形式。在高温运行过程中，H 型钢与管道焊接区域焊缝容易产生应力集中，进而造成焊缝产生裂纹而导致泄漏。

根据检修记录，C 外置床第5排第2层管道所属位置是易磨损部位，原第5排第2层管道加装了防护罩，现场检查发现防护罩靠近泄漏点位置已经脱落。防护罩松动脱落并与受热面管道相互碰撞，造成机械磨损。同时由于失去防护罩，管道因磨损减薄，最终造成泄漏。

2.2 管卡结构改进

从循环流化床锅炉外置床受热面及管排的磨损分析中可以得出，管卡结构与受热面磨损有着紧密的联系，因此可以通过优化管卡结构来减小受热面的磨损。在传统的锅炉结构中，管卡和吊杆并非完全固定在一起，二者之间存在一定的间隙。当颗粒在锅炉内循环并产生撞击时，管卡与吊杆之间就会发生相对摩擦，从而产生磨损。管卡结构有2种类型：一种是固定式的，称为固定管卡；另一种是移动式的，称为自由管卡。对于自由管卡，可将最上面的管卡与上限位部件焊接在一起，而最下面的管卡与下限位部件之间须留有一定的间隙，作为热膨胀时的缓冲空间；对于固定管卡，可以将所有管卡焊接成一个整体，并将其焊接到上限位部件上。通过对这2种管卡结构进行改造，可以在一定程度上改善磨损的情况。

2.3 材料选择

循环流化床锅炉外置床受热面及管排的磨损与其自身材料的耐磨性能也有着紧密的关系。综合考虑耐磨性能和成本要求，可为不同部位选用不同的耐磨材料。对于管束及悬挂管等部位，需选用传热耐压材料，通常以低碳钢为主，也可以选用合金钢；对于处在腐蚀环境下的受热面，需要在其表面喷涂一些耐火材料，也可以选择添加内衬；对于温度变化较为频繁的部位，则需要选择热膨胀系数较小的材料，这样其产生的变形就会较小；对于耐高温连接板，均须采用耐高温、耐磨损、耐腐蚀的材料制造。

2.4 管排固定方式改进

为防止管排剧烈晃动，增强管排的牢固性，可采用“圆弧卡+耐高温连接板”的连接固定方式，将每个外置床最上层和最下层的管排分区连接，加装的所有半圆卡均不与承压管道焊接。耐高温连接板均采用310S不锈钢材料，圆弧卡、连接板厚度均为8 mm。

A外置床与D外置床各有40排管排，管排按从前往后分3个区进行固定。从前往后数，第一个区域共14排管道，第二个区域共13排管道，第三个区域共13排管道。每个区域采用圆弧固定卡进行固定，每个区域所有连接件间隙大于20 mm。

B、C、E、F这4个外置床各有38排管排，管排按从前往后分3个区进行固定，前后各13排管排，中间12排管排。每个区域采用圆弧固定卡进行固定。每个区域所有连接件的间隙大于20 mm。

割除每个外置床每个区域管排的焊接连接板，连接板之间膨胀间隙大于20 mm，间隙均匀，可防止焊缝应力集中。为防止管排与H垫块之间的焊缝出现应力集中，每个管排上、下方的连接H垫块均采用两边直角倒角45°，半径为50 mm，打磨后进行着色检查，对存在裂纹的部分进行修补。

3 结论

1)超临界循环流化床锅炉外置床管道受热面磨损失效主要有冲蚀磨损和微振磨损2种形式，主要受金属热膨胀和管排振动影响。

2)外置床管排固定方式优化方案应用于白马超临界循环流化床锅炉外置床，不仅提升了外置床的稳定性和安全性，也减少了因金属热膨胀和管排振动而发生的失效事件。