余热锅炉过热器管变形原因及改进措施

余热锅炉过热器管变形原因及改进措施

左嘉琦周文睿

广西壮族自治区特种设备检验研究院梧州分院广西梧州543000

摘要:本文主要针对余热锅炉过热器管变形原因及改进措施展开了探讨，通过结合具体的实例，对锅炉运行过程和低温过热器失效作了系统分析，并给了一系列改进的措施，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。

关键词:余热锅炉；过热器；变形；改进措施.

所谓的余热锅炉，顾名思义是指利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量把水加热到一定温度的锅炉。但是余热锅炉存在着过热器变形的问题，需要我们采取有效的措施做好改进。基于此，本文就余热锅炉过热器管变形原因及改进措施进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

1锅炉运行过程分析

1.l启炉过程分析

公司曾多次组织专家进行研究，并先后两次对高、低温过热器结构和启炉方式进行改进，以期达到缓解高温过热器变形的目的。更改过热器结构的主要措施是将先前的4排高温过热器管和8排低温过热器管改为2排高温过热器管和4排低温过热器管。对启炉方式的更改主要是针对过热器进行的调整。原始设计中，在启炉时过热器内加满水，随着高温烟气的冲刷，过热器内的水逐渐发生相变、汽化排出过热器系统，最终达到启炉的目的。

但使用该启炉方案时，高温过热器内的水吸热量最大，最先发生相变，工质密度减小，在后部水动力的作用下工质上升流出高温过热器。但在实际的启炉过程中，运行环境复杂。—旦发生该现象，管壁在烟气侧990℃高温的冲刷下，很快就会超过最高允许温度，发生过热现象。

针对该启炉方式存在的弊端，公司在第二次技术改造中在过热器启动管路上增加了强制循环泵，将过热器的冷却方式从依靠水汽的重力位压差的自然循环方式改为强制循环，避免出现因受热不均或是工质流动阻力等原因造成的局部管路过热而发生变形的情况。

现行的启炉程序中在点火前就将过热器循环系统投用。循环系统是将上锅筒水引入循环水泵送到过热器，系统内产生的汽水混合物再回到上锅筒中，达到冷却过热器的目的。锅炉负荷70%，上锅筒压力1.5MPa时，锅筒对空排汽门关闭，饱和蒸汽引入到过热器。锅炉自点火并列的时间需要4h，至强制循环系统需要3h。在锅炉升压过程中，强制循环系统前由上锅筒对空排汽阀排汽，并控制升压时间，强制循环后开启主汽隔断门前疏水阀、过热器疏水阀，过热器对空排汽电动阀排汽，然后关闭过热器疏水阀，通过调整过热器对空排汽电动阀排汽控制升压时间。

1.2启炉数据分析

对锅炉使用单位提供的锅炉运行日志进行了查阅，在锅炉启炉操作规程中明确写明:锅炉自点火并列的时间需要4h，至强制循环系统需要3h。但从运行参数中可以看出，从动力车间得到点炉通知，到锅炉达到额定参数并联供汽，参数从汽包压力为0.lMPa，主汽温度为119℃达到额定参数一共耗时70min，远远低于规定的锅炉启动时间。短时间内锅炉参数的变化将很有可能造成过热器管内介质的流动状况偏离原设计。翻阅其他运行记录发现，在可见的启炉运行记录中，均存在启炉时间远低于操作规程规定时间的现象。

1.3锅炉稳定运行数据分析

表1为锅炉运行记录显示的锅炉运行的典型参数。数据表明，锅炉主要在44%额定负荷下运行，其余热烟气量仅为设计流量的34%。这主要是由于厂家在第一次改造时将过热器受热面减半的结果。

表1锅炉运行参数

上述研究表明，低温过热器不存在材料用错问题，但不论是爆管处还是变形处，在一年的时间里，出现严重的珠光体球化，说明低温过热器存在严重的过热问题。图3、图4分别为爆管和发生变形但未爆管的低温过热器管样品分别进行了显微镜金相分析，爆管部位和变形部位过热器管的金相照片。爆管部位的金相组织为珠光体+铁素体+碳化物，晶界有明显的碳化物聚集，珠光体球化程度为4.5级。

过热器管变形部位的金相组织中珠光体区域球化明显，晶界有碳化物聚集，珠光体球化程度为4级。从图3、图4还可以看出材料在长时间高温服役时，珠光体中的碳化物在晶界处分散、聚集、成球，由最初的片状逐渐变为颗粒状，使得珠光体中片层碳化物明显减少，最终形成球化组织。球化组织形成的原因是奥氏体中的碳原子从碳化物尖角处向平面处扩散，其结果破环了界面的平衡，使碳化物尖角处的奥氏体含碳不饱和，而碳化物平面处的奥氏体含碳过饱和，为了恢复平衡，尖角处碳化物溶解使曲率半径增大，平面处碳化物长大而使曲率半径减小，最终使碳化物聚集成曲率半径相近的颗粒状。图3中珠光体的球化评级高于图4，爆管情况较变形情况而言，材料高温强度下降更低，屈服强度降低幅度更大，随球化程度严重程度增大，屈服强度降低明显。

2.2.2过热器局部状况分析

在爆管发生处明显积存了大量的水垢，在割管处水垢厚度达到4mm，而在水垢积累最严重部位，流通截面直径从光管的30mm减少为10mm，流通截面积减少了8倍。

锅炉启炉的过程中，炉水通过锅筒底部的循环管进入强制循环泵，再进入到高温过热器出口集箱，直至低温过热器进口集箱的过程中，工质与烟气的流向相同，工质在进入低温过热器进口集箱前的湍度达到最大值，使工质在壁面处蒸发，形成水垢。

15CrMoG的导热系数为36W/(m?K)，而水垢因其内部孔隙不同，水垢内各层次的结构不同等原因，导热系数在0.116～6.96W/(m?K)之间。水垢导热系数低，使锅炉受热面的传热性能变差。炉水中盐类物质在受热面上结垢时要经过一系列过程:形成过饱和溶液，微细的结晶在过饱和溶液中处于溶解—结晶平衡的亚稳定状态，结晶长大聚集而失去稳定，成垢物质在受热面上粘附并依序使晶粒长大，结硬长垢。

锅炉低温过热器使用的是15CrMo管，按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》规定其允许金属壁温在560℃以下。当锅炉受热面无垢时，金属受热后能很快将热量传递给水。但当过热器受热面结生一定厚度水垢时，蒸汽的冷却作用降低，金属壁温会远远超过钢材的允许金属壁温。这时钢材的高温性能就会下降，最终造成爆管。从爆管的管样可以看出，管壁内侧的水垢厚度达到4mm，这就造成了过热器管内外侧传热的显著恶化，使过热器管壁超温，最终造成机械性能下降，不能承受运行参数，造成爆管。

根据检测，该锅炉水处理装置运转良好，水质化验结果无任何超标数据，因此造成水垢积聚的原因并不是水质恶化。

该锅炉的汽水分离装置为孔板式分离器，在运行时需要水位线上有一定的蒸汽空间才能获得良好的分离效果。但在查阅运行记录和向相关技术人员询问后，发现该锅炉存在高水位运行的现象。锅炉高水位运行，容易造成蒸汽带水。由于锅水的不断蒸发和浓缩，在锅筒汽水分界线处溶解盐类含量不断增加，水质恶化。当随蒸汽进入到过热器的盐类物质达到过饱和时，盐类在受热面上析出固相，结生水垢。

因此，锅炉的高水位运行也是造成低温过热器入口爆管处存在的大量水垢的原因之一。

由于低温过热器入口段积结水垢，减小了流通截面积，造成低温过热器管路的流量分配不均，受热面处部分管子存在超温现象，致使该管子虽末爆管，但还是发生了过热变形。

通过分析表明，锅炉的启炉方式和管路的布置方式使低温过热器进口集箱处过热器管在启炉过程中的工作环境恶劣，尤其在强制循环泵解列前的汽液切换阶段，管内工质的温度达到最高，烟气侧流量达到最大值，工质流速低，使工质在壁面处蒸发，形成水垢。

在运行过程中，余热锅炉经常高水位运行导致锅筒内汽水分离装置的分离效率降低，造成蒸汽带水严重，进入低温过热器管路后结成水垢。

低温过热器管子过热变形，甚至爆管都是由于管内积结水垢，使传热恶化，造成管壁超温导致的。

3改进方法

(1)改变现有启炉方式，增加过热器旁通管路，将启炉时过热器系统工质的流动方向改为逆流。

(2)设置烟气挡板，调节启炉过程中烟气流速，控制过热器系统热负荷。

(3)制定阶段启炉程序，避免启炉速度过快。

(4)严格按锅炉操作规程操作，严禁锅炉高水位运行，锅筒内水位维持在正常水平。

4改进效果

改进方法用于烟道式余热锅炉的启动和运行控制，过热器管中水垢厚度由原来4～20mm降低到小于2mm，低温过热器管变形显著减小，使用寿命增加，每年可为设备用户节省检修费用约60万元，节省综合检修造成的产值间接损失约750万元，并为公司节省至少15d的检修时间，因此具有巨大的经济效益。

该项目可在一定程度上保证余热锅炉的安全运行，对有同样工况的余热锅炉的安全运行具有一定的指导意义，经济效益、社会效益显著。

5结语

综上所述，过热器作为余热锅炉的重要部分，其若出现变形的问题将会严重导致余热锅炉的正常工作，因此，我们必须要重视过热器变形的问题，并采取有效的措施做好改进，以防止过热器发生变形等问题的出现，从而为余热锅炉的安全运行提供保障。

参考文献：

[1]项建伟.燃机余热锅炉过热器鳍片管变形原因分析[J].浙江电力.2015（04）.

[2]张伟旗.余热锅炉常见故障分析与控制[J].世界有色金属.2014（04）.