锅炉水冷壁管工装孔处泄漏原因分析与处理

余增三，王则强

（1.河南省中原大化集团有限责任公司，河南 濮阳 457000；2.郑州立达电力技术有限公司，河南 郑州 450000）

1 装置概况

某公司甲醇项目动力站采用3台型号为YG-170/9.8-M2的高温高压循环流化床蒸汽锅炉，锅炉采用单锅筒横置式，单炉膛自然循环，全悬吊结构，全“∩”布置。炉膛由膜式水冷壁组成，保证了炉膛的严密性。炉膛横截面为4 511 mm×9 082 mm，炉顶水冷标高36 152.5 mm（水冷中心线标高），膜式水冷壁由Φ60 mm×5 mm（材质20G，GB 5310—1995）锅炉管和6 mm×20.5 mm扁钢焊制而成，管节距为80.5 mm；前后墙水冷壁112根，左右侧墙水冷壁56根，在炉膛的左右中心线处靠近前部水冷壁设置水冷屏，炉膛水冷壁（屏）通过水冷上集箱（包括水冷屏上集箱）由吊杆悬挂于钢架顶部的框架上。3台锅炉主要向空分厂、甲醇厂和乙二醇厂等分厂提供动力或工艺蒸汽，于2008年投产，至今已运行105 000 h。

2 泄漏发现经过及处理

2022年3月6日，1#锅炉内烟气温度突然降低，汽包水位无法维持，炉膛顶部有异响，工艺值班员判断炉内发生泄漏，紧急停炉。3月8日检查炉顶外部，发现泄漏点位于1#锅炉炉顶第2工装孔。炉顶膜式水冷壁共设置3处开孔结构，分别位于从左往右数第18～19根、第50～51根、第89～90根，为叙述方便，称为“工装孔”，分别标记为第1、2、3工装孔。

工装孔由锅炉制造厂设计安装，为检修、炉内升降机平台吊装穿吊绳或者传递工件时使用，其结构为相邻2根管对称向炉外弯曲，在膜式水冷壁上形成一个约180 mm×500 mm的“孔洞”，然后用与“孔洞”形状高度吻合的密封板与膜式水冷壁鳍片、水冷壁管焊接在一起。此次泄漏发生在炉顶第2工装孔两侧管处（从左往右数第49、52根）：第49根管泄漏点2处，分别标记为1#和3#，第52根管泄漏点2处，分别标记为2#和4#；第48、53根水冷壁管外壁磨损减薄超标，密封板被泄漏气流冲刷破损2处（A点和B点），具体见图1。

图1 1#锅炉炉顶泄漏点位图

由于无工装孔说明，且以往检修检查中多次发现工装孔密封板炭化开裂，均做补焊和开裂纹止裂孔处理。研究决定修复时取消此处工装孔（第50、51根），更换磨损减薄超标管（第48、53根）和泄漏管（第49、52根），共计更换6根管（第48、49、50、51、52、53），更换的管全部鳍片双面满焊，焊后做无损检测探伤检查。另外第2工装孔水冷壁泄漏原因不明，而生产又急需恢复，为防止其他工装孔因密封板炭化产生裂纹造成泄漏，预防性对第1和第3工装孔密封板焊缝进行打磨除锈，渗透探伤检查，然后分别进行密封板开槽5～6道，并在槽端打止裂孔，炉外密封盒内填充浇注料密封。

3 泄漏点特征及初步分析

为查找泄漏点产生的原因，厘清各个泄漏点之间的相对关系，确定原始泄漏点，对工装孔密封板和第49、52根管的4处泄漏点进行缺陷检查和特征判断。

工装孔被尺寸为180 mm×500 mm×6 mm的密封板（材质20，与鳍片材质相同）封堵，密封板焊接在水冷壁管上。密封板被泄漏的蒸汽裹挟烟气击穿2处（图1中A点和B点），从密封板磨损击穿痕迹上可以判断出气源和方向：1#泄漏点将密封板A点磨损击穿，2#泄漏点将密封板B点磨损击穿。

1#泄漏点位于密封板与水冷壁管迎火侧焊接热影响区根部，沿水冷壁管纵向发展，长度约3 mm，圆周向宽度约1 mm。焊缝泄漏处边缘显示蒸汽由里向外泄漏产生的冲蚀坑痕迹明显，泄漏汽水混合物沿着喷射方向将密封板A点磨损击穿。剖开检查1#泄漏点内壁，密封板焊接处长度方向腐蚀结垢较为严重，特别是密封板焊接处中部；密封板焊接处迎火侧热影响区根部腐蚀结垢物和裂纹较为明显，裂纹长度约50 mm；腐蚀结垢物沿焊缝纵向分布，且在裂纹附近腐蚀结垢物分布面积宽大，约70 mm×30 mm。综合判定1#泄漏点产生的原因是密封板焊接处迎火侧热影响区根部壁厚变化较大，热交变应力变化大且频繁，密封板宽大吸热量大，与水冷壁汽水混合物换热不及时，造成热量堆积而局部过热，易产生微裂纹；水冷壁管内部水质差，高温区管道内壁易结垢，造成换热进一步恶化。长期运行，微裂纹扩张形成泄漏点。暂时判定1#泄漏点为原始泄漏点。

3#泄漏点位于密封板与水冷壁管迎火侧焊接热影响区根部上方约6 mm处，呈纺锤形，长×宽为25 mm×6 mm，泄漏点外部磨损减薄明显，边沿锋利外翻，最薄处1.6 mm，壁厚沿泄漏点向四周越来越厚。剖开检查3#泄漏点内壁，密封板焊接处长度方向腐蚀结垢较为严重，特别是密封板焊接处中部；该泄漏点周围4 mm范围内无腐蚀结垢物，且露出金属光泽，未发现肉眼可见裂纹，说明泄漏后内壁变形以及高压汽水混合物冲出3#泄漏点时将内壁腐蚀结垢物冲掉。综合判定，3#泄漏点产生的原因是外来物料流冲刷水冷壁外壁减薄产生。

2#泄漏点因外壁被外来物料流冲刷减薄，并且与4#窗口型泄漏点混在一起，不易发现，但是在内壁可以看见泄漏点长约20 mm、宽约3 mm，呈锯割状；且与1#泄漏点泄漏气流路线、方向一致，内壁未见腐蚀结垢物，沿管壁纵向可见大量微裂纹。综合判定，2#泄漏点产生的原因是外来物料流冲刷水冷壁外壁，磨损形成的锯割状沟槽减薄。

4#泄漏点呈窗口形，长×宽为50 mm×150 mm；开口位于密封板与水冷壁管迎火侧焊接热影响区根部，且外壁磨损减薄明显，最薄处1.8 mm，整个泄漏点边沿略显粗糙，壁厚沿迎火侧焊接热影响区根部向另一侧越来越厚；其内壁未见大块腐蚀结垢物，沿管壁四周纵向可见大量微裂纹。综合判定，4#泄漏点产生的原因是外来物料流冲刷水冷壁外壁减薄产生。

综合分析，确定泄漏点顺序依次为：1#泄漏点为原始泄漏点，2#、3#、4#泄漏点均是因1#泄漏点形成后，蒸汽裹挟外来物料流冲刷水冷壁外壁减薄产生。

为证实原始泄漏点判断的正确性和查找原始泄漏点形成原因，将1#泄漏点样管送检分析。化学成分分析表明，水冷壁管各元素含量均符合标准要求；水冷壁管内壁处取垢样进行X荧光能谱分析，检测结果显示，垢样中主要为Fe（质量分数79.20%）、Mg（质量分数3.82%）、Al（质量分数1.40%）、Ca（质量分数1.79%）、Cu（质量分数6.68%）等元素；水冷壁管泄漏点部位金相组织分析可见水冷壁管泄漏点尖端处微观组织无明显畸变，组织无异常，但内壁可见大量平行轴向的腐蚀疲劳裂纹；水冷壁管泄漏点部位电子显微形貌分析可见水冷壁泄漏点侧的微裂纹尖端较为圆润，内部附着致密的腐蚀产物，这些腐蚀产物主要含有Fe（质量分数47.54%）、C（质量分数15.89%）、O（质量分数32.12%）、Cu（质量分数4.46%），应为Fe的氧化物以及Cu和Cu的氧化物。

综上分析，造成此次水冷壁管泄漏的主要原因为：水冷壁管在因负荷变化等原因产生的交变应力作用下发生疲劳损伤，加之给水中氧化物（Fe3O4、CuO等）在水冷壁内壁处沉积结垢，导致水冷壁管发生腐蚀疲劳，在水冷壁与鳍片焊缝应力集中处开裂并不断扩张，最终在管内介质压力作用下发生泄漏。

4 泄漏原因及处理对策

长期运行中，工装孔的密封板裸露在炉膛烟气（温度960℃～1 000℃）中，吸收大量烟气热量，由于管内汽水混合物吸收带走热量有限，密封板实际温度高于使用极限，造成炭化失效，形成裂纹；密封板与水冷壁管处于焊接热影响区根部，壁厚变化较大，受负荷和炉膛温度变化易形成应力交变，导致组织结构强度不断变弱，产生微细的应力腐蚀裂纹；汽水混合物中的氧和氧化物以及盐类物质沉积在应力腐蚀裂纹中腐蚀水冷壁管，导致膨胀扩张；水介质中的盐类物质在此处富集、覆盖、沉积，形成阻隔传热的垢层，阻碍了传热效果，加快了裂纹成长速度。在以上多重因素作用下，微细裂纹不断形成和发展，最后引起泄漏事故。

高温高压汽水混合物从1#泄漏点冲出，汽水混合物裹挟着炉内的高温颗粒物料冲击到第52根管，由于两管之间距离较近（约200 mm），1#泄漏点又较细小（长度约3 mm，沿径向宽度约1 mm），因此在第52根管上形成锯割状磨损减薄2#泄漏点（长约20 mm，宽约3 mm，在窗口型4#泄漏点对应撕裂处可见痕迹）。

2#泄漏点喷出的高温高压汽水混合物裹挟着炉内的高温颗粒物料冲击到第49根管，导致第49根管冲刷侧整体磨损减薄，在受冲刷最近、最薄弱处爆开，形成3#泄漏点。

3#泄漏点截面呈纺锤形，因此喷出的高温高压汽水混合物呈散射型，裹挟着炉内的高温颗粒物料反冲击到第52根管，导致第52根管迎冲刷侧整体磨损减薄，在受冲刷最近、最薄弱处泄漏，致使第52根管在管内高温高压汽水混合物作用下形成窗口形4#泄漏点（长×宽约50 mm×150 mm）。

综上所述，泄漏发生的主要原因：（1）工装孔密封板设计太宽大，焊缝处金属厚度与水冷壁管壁厚变化过大，易造成水冷壁管迎火侧焊缝热影响区热交变应力变化大；（2）锅炉水质控制不严，造成水冷壁内壁结垢和腐蚀严重，且垢样含有大量铜的成分，以及钙、镁、铝元素，说明含铜的换热设备发生过内漏，导致水质恶化。次要原因：焊接根部截面厚度突变处，在热交变应力作用下，氧化腐蚀和结垢腐蚀导致材质失效。

采取的措施和对策：（1）下次大修时，将3台锅炉炉顶工装孔全部取消，恢复成直管；（2）因3台锅炉炉膛升降平台穿绳孔与此次发生泄漏的工装孔结构一样，且从未使用过，将其全部取消，恢复成直管；（3）工装孔如无必要，在设计时尽量取消；确有需要，例如炉内升降平台穿绳孔、温度测点插座孔、压力测点插座孔等，设计时密封板宽度以不超过水冷壁1个节距、长度以不超过节流弯曲半径最低值为宜；（4）严格按照TSG11—2020《锅炉安全技术规程》要求监督入炉水质，水质检测要及时准确，不合格的水质坚决不准进入锅炉水系统；（5）联系权威锅炉检测机构，对锅炉受热面进行安全检查评估，采取针对性措施，防止特种设备重大事故发生。

5 结 语

锅炉在设计阶段，应尽量减少开孔设计，必须时，应考虑密封板换热是否能够满足工况要求，并且尽量降低密封板宽度。在生产阶段，根据实际情况封堵不必要的开孔，或者减小开孔密封板宽度，也可采用焊接渣钉、高强度耐高温防磨耐火材料覆盖（循环流化床锅炉不适用，易掉落，堵塞落渣口）等方式；加强运行中水质监测，严格控制疏水、蒸汽冷凝回水的水质，不合格时不得回收进入锅炉，特别是化工企业自备电厂，使用蒸汽的化工装置分布在各个分厂，冷凝回水水质差距较大，质量控制更应引起水处理监测人员和锅炉运行人员的注意。同时，要严格执行《火力发电厂金属技术监督规程》有关锅炉定期检查检测规定，发生受热面管结垢严重时，一定要执行TSG11—2020《锅炉安全技术规程》中有关化学清洗的规定。