1021 t／h炉水平低再管鼓包原因分析与处理 刘建国　朱传元
湖南石门电厂 湖南常德415300

1　基本情况介绍　　
　　石门电厂1号锅炉（HG－1021／18．2－WM10型）系哈尔滨锅炉厂生产的亚临界压力、一次中间再热、煤粉燃烧、自然循环锅炉，最大连续蒸发量1 021 t／h。蒸汽在汽轮机高压缸做功后，引回锅炉进入再热系统的流程是：冷端再热管道至减温器→前墙、左右侧墙壁式辐射再热器→水平、立式低温再热器→末级再热器→再热器出口至汽机。其中，水平、立式低再布置在炉后转向竖井烟道的后半部。立式低再在上，水平低再在下，管子规格Φ63 mm×4 mm，材质按分段布置有20号和15CrMo（如图1a所示）。该炉1995年12月点火并网，至1999年5月停炉扩大性小修，运行约1．5万h。检查发现，在锅炉48．7 m、水平低再自上而下第2层的蛇形管90°弯头起弯处内侧出现局部鼓包现象，共查出30余处，其中严重的有12处，如图1b所示。根据水平低再布置位置及国内同类锅炉的情况，此处的受热面管子鼓包是罕见的。所以，找出原因，采取措施，杜绝事故发生，十分必要。

2　检测情况
2．1　外形测量
　　用卡尺对所有明显鼓包的管子进行测量（如图1b），胀粗情况为：Y＝65．2～66．1 mm，X＝61～61．5mm，而原始管规格为Φ63 mm×4 mm。根据再热器合金管使用标准，即使取鼓包y方向低值65．2mm，则
　　（65．2－63）×100％÷63＝3．5％＞1％，已超标；
    若取鼓包严重的管子的平均直径为：

    （66．1＋61．5）／2＝63．8 mm，则
　　（63．8－63）×100％÷63＝1．3％＞1％也已超标。
　　若是管子在制造时冷弯塑性变性而非蠕变，那么，在管子（鼓包部位）截面周长基本不变的情况下，作近似计算取塑变时X_o＝61．5 mm，有63π＝（61．5／2＋Y_o 2）π，求得Y_o＝64．5 mm，现实测鼓包尺寸Y＝66．1 mm＞64．5 mm，证明蠕变是存在的，则
　　（66．1－64．5）×100％÷63＝2．54％＞1％，超标。
　　测量远离鼓包处的直管段均在Φ63～Φ63．1mm之间，管子磨损无明显减薄现象。
2．2　试样检验
　　选择有代表性的炉左第22排，炉右第19排弯管处取样分析，发现弯头截面外径周长明显减少，45°处直径减少较多，弯头截面变形大，形状很不规则；弯头外弧减薄明显，弯头起弧过渡至直管部位截面呈不规则椭圆，（弯头常温机械性能正常）。弯头及鼓包部位外表无积灰，磨损小，鼓包处内壁有较厚红色垢物。金相试验：鼓包处球化2～3级。

3　原因分析
3．1　超温
3．1．1　查电厂金属材料，15CrMo钢允许工作温度为510℃。允许最高壁温为550℃。根据制造厂低再热力计算（逆流换热）、壁温计算结果（制造厂对每种管材使用段出口均进行了壁温计算，水平低再上部与立式低再受热管均为15CrMo，规格Φ63 mm×4 mm），低再出口（也即立式低再出口）只有在校核煤种一，即应用基低位发热值24．35 MJ／kg时，烟温最高，为710℃，对应蒸汽出口温度最高495℃，壁温529℃，管子外表530℃，可知材质使用在允许温度范围。而水平低再在立式低再下部，烟温和管内蒸汽温度均低于立式低再，实际运行时燃煤应用基低位发热值比校核煤种一热值低，且鼓包处在水平低再上往下数的第2层，更低于允许温度。3．1．2　如果是开炉时再热器干烧冷却不好或其它情况使烟温超过设计值，则应发生在与水平低再相同材质规格、且处于其上部烟温汽温更高的立式低再的出口部位，而不应处于弯头入口的局部。故超温可能性不大，可以排除。
3．2　检查鼓包管的前后、上下受热管排是否存在烟气走廊或其它异常情况，也未发现问题。
3．3　管内杂物堵塞或材质问题：水平低再出厂及安装时均做过通球试验与材质检验，没发现问题。如果是杂物卡涩，管子因此传热恶化，则可能在运行短时就会超温爆管，不会至今才出现局部鼓包，重查材质未错，割管检查管内无异物堵塞，因此这些因素也可排除。
3．4　弯头制作方面：弯制工艺不当。判据为a．据我厂工程部锅炉专工提供，部分低再弯头不规则现象，安装时曾发现过，当时向制造厂反映，制造厂回复说在改进，当时通球试验在要求范围，也就没深究。b．向制造单位查询，我厂这种类型的水平低再是该厂首次设计生产，相对管径大，管壁薄，冷弯不易把握，开始时存在一些不良现象。c．根据前面的实际测量及弯管经验推断。
3．4．1　弯头弯制不当的形成：用机械冷弯时，管段一端用压模固定，然后启动弯管机，按所需弯曲角度弯管机主动模轮旋转相应的角度。弯曲半径为弯管机主动模轮半径，弯制过程中靠摩擦力管子被牵引弯曲，弯管中心线为中性线，弯头外弧受拉，内弧受压，固定端起弧点一般能圆滑过渡。当工艺不当时：即根据管子规格（管径与壁厚）、弯曲半径而设计的弯管主、从动模轮，从动轮布置，主模轮转速、弯制裕度等参数控制不好，就会在弯头内弧出现超标的突起（即波浪度），弯头截面椭圆度则不合格（如图2所示）。图2中双点划线表示弯管机主动模轮，实线表示弯制的管样（考虑到具体操作的不同，图2中，A端固定的夹紧装置和弯管从动模轮省略没画）。由于冷弯受力、工艺区别，突起越高的，其塑变形大，弯头变形也大，其通流截面也越不规范；没有突起的，弯头及其截面则有规则。笔者曾从事过检修弯管工作，事实确实如此。

3．4．2　鼓包的形成：由于弯头波浪度不合格、存在突起，运行时，由于汽流惯性作用，流体质点运动不能依管壁形状流动而突然改变运动方向，如图3中流线所示。
　　
　　实际中，蒸汽在管内流动较复杂。一方面沿受热管按设计路线流动，一方面不停地进行热交换，使蒸汽温度提高、内能增加、比容增大，流体质点不断扰动碰撞，这与流体流动管道无热交换有别。为简化，此处仅作一般分析。当汽流在管内迎着突起面（如图3a），因管子存在突起，使得蒸汽中的部分流体受阻不随主流方向流动，在热交换过程中而出现沿管壁逆主流方向运动的旋流。同时汽流随即进入弯道，一方面弯道离心力作用，流体向外壁的压力升高，一方面蒸汽继续加热比容微增，而弯道实际截面小于直管段（试样检验结果），弯道入口处突起的存在，这时部分受压流体向突起处旋流，之后在主流粘性和惯性力作用下带走。这说明旋流因突起产生，因突起在弯道入口而加强。若汽流背着突起面（如图3b），同样可说明突起处存在旋流。尽管突起处旋流微小，但只要存在，热交换中蒸汽的盐分最易在旋流区沿管壁积聚成垢，运行时间越长，垢物积得越多，而使局部热阻加大；又突起外壁处迎烟气面，烟气冲刷扰动强烈，热交换强，因该处内表的垢物热阻，使得传热逐渐恶化，当垢积到一定程度时，局部会出现管壁超温，组织发生变化，产生球化，过热鼓包。这种后果在弯管波浪度大的部位比小的部位更易发生，因为突起高的比低的更易形成旋流、更易积垢。这种情况在开始垢物少，还不致传热恶化时，难以发现，1997年6月该锅炉第1次大修时，没有发现低再管鼓包现象，本法有用摆动火咀调火焰中心和调烟气挡板方法，喷水减温用于事故情况。但摆动火咀调火焰中心来调再热汽温，因煤质、燃烧工况、负荷变化以及对过热汽温的影响等，运行为此操作少。烟气挡板调温作为主要手段，又缓慢或不灵敏时，运行人员就会投喷水减温，当减温水质不合格时，再热器管突起处积盐结垢加剧，从而加速传热恶化，加速爆管。
　　以上分析说明，低再管弯头弯制工艺不当留下的隐患，是水平低再受热面管产生鼓包的主要原因。

4　处理措施
4．1　将明显鼓包的管子（超标和部分接近超标的）连其弯头一起更换，共换33个。再热器管排调整均匀，消除烟气走廊和热偏差；同时在水平低再受热面管子设立10个蠕变监测点，定期监测，发现异常则采取措施。
4．2　再热汽温调节尽量用烟气挡板，尽量避免投减温水，以免减温水中不合格的盐分带入再热器管道，使再热器管特别是内表存在突起的管子容易积盐结垢，影响传热，产生事故隐患。为此，本次扩大性小修特将再热器出口烟气挡板和相邻相互影响的低过至省煤器下部出口烟气挡板重新调整、校正，动作灵活可靠。
4．3　加强化学监督，提高给水、减温水品质。异常情况投再热器喷水减温时不至带盐积垢，恶化传热。　

4．4　在锅炉的技术改造和检修等过程中，务必仔细检查、严格控制，不合格或形状异常的受热管弯头不得使用！