金屬氧化引起鍋爐爆管事故原因分析及防范措施論文(萬(wàn)文)

1、金屬氧化引起鍋爐爆管事故原因分析及防范措施（寧夏銀儀電力設(shè)備檢修安裝有限公司，寧夏銀川，萬(wàn)文）【摘要】本文描述了寧夏中寧發(fā)電公司#2鍋爐一起爆管事故，對(duì)爆管原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐超溫運(yùn)行引起爐管內(nèi)壁氧化脫落，堵塞管內(nèi)蒸汽流通，從而導(dǎo)致?tīng)t管短期超溫爆管，并對(duì)金屬高溫氧化的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析。寧夏銀儀檢修公司在處理中電公司爐管氧化爆管過(guò)程中采取了機(jī)械清理、化學(xué)清洗、蒸汽吹掃等措施，消除了缺陷，使機(jī)組順利投入運(yùn)行；同時(shí)提出了防止此類(lèi)事故發(fā)生的措施。通過(guò)分析和處理表明，只要我們采取正確的處理方法就可以消除和避免此類(lèi)事故的發(fā)生，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行?！娟P(guān)鍵詞】火電廠 金屬氧化 鍋爐爆管 防范措施火電廠鍋爐

2、爆管事故一旦發(fā)生，必須停爐處理，影響整個(gè)機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。誘發(fā)此類(lèi)事故的原因很多，如爐管制造缺陷、設(shè)計(jì)缺陷、燃燒控制不當(dāng)、運(yùn)行誤操作、基建安裝等等，但不論是什么原因，只要我們掌握的它發(fā)生的機(jī)理、加強(qiáng)監(jiān)督，就能夠有效減少甚至避免事故的發(fā)生，提升機(jī)組的安全運(yùn)行可靠性。本文中某電廠爆管搶修事故揭示了諸多誘因中非常普遍但又容易被忽視的重要原因之一爐管的氧化。一、事故經(jīng)過(guò)寧夏中寧發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中電公司）兩臺(tái)330MW亞臨界機(jī)組始建于2003年，#1、#2機(jī)組先后于2004年、2005年投產(chǎn)，最大設(shè)計(jì)負(fù)荷330MW；鍋爐型號(hào)：WGZ1112/17.53，最大蒸發(fā)量為1112.4T/h，采用自然

3、循環(huán)；其中過(guò)熱器出口設(shè)計(jì)溫度540、出口壓力17.54MPa。2010年11月13日，該公司#2爐固定端48米處折焰角上方高溫過(guò)熱器發(fā)生爆管，事故現(xiàn)場(chǎng)伴有刺耳的泄漏聲， #2爐固定端排煙溫度上升，主汽流量、給水流量和機(jī)組補(bǔ)水量增大。停爐后，寧夏銀儀電力設(shè)備檢修安裝有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)銀儀檢修公司）對(duì)爆管現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，確定爆管位置為過(guò)熱器第34排第一管圈入口管，規(guī)格為54×8，材質(zhì)T91。從外觀上，爆口成喇叭狀，爆管后嚴(yán)重變形，并在巨大的反作用力下將附近的第35、36排部分爐管打彎變形，推測(cè)爐管為瞬間爆開(kāi)，爆口如圖1所示。圖1：爆裂變形的爐管通過(guò)進(jìn)一步對(duì)高溫過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、高溫再熱器

4、外觀、壁厚、硬度和蠕脹等測(cè)量,其吹損程度、硬度、壁厚和蠕脹數(shù)據(jù)全部在正常范圍內(nèi)。為進(jìn)一步查明爆管原因，銀儀檢修公司對(duì)過(guò)熱器U型彎進(jìn)行X射線拍片檢查，發(fā)現(xiàn)高過(guò)水平直管段（材質(zhì)：TP347H）內(nèi)有明顯的異物；割除該處管排U型彎后發(fā)現(xiàn)，高溫過(guò)熱器第28、32排爐管內(nèi)有大量氧化皮沉積物，其它管排U型彎處也發(fā)現(xiàn)了少量的氧化皮沉積物，如圖2所示。圖2：從爐管中清理出的金屬氧化皮銀儀檢修公司擴(kuò)大檢查范圍，對(duì)高過(guò)入口集箱、后屏過(guò)熱器入口集箱、分隔屏左、右入口集箱的封頭進(jìn)行割除，并用內(nèi)窺鏡檢查，未發(fā)現(xiàn)集箱內(nèi)有異物。二、原因分析針對(duì)中寧公司連續(xù)爆管的問(wèn)題，西安熱工研究院、北京必可測(cè)科技公司受中電公司委托，利用其奧

5、氏體不銹鋼內(nèi)壁氧化皮檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)行有針對(duì)性地檢測(cè)，對(duì)氧化皮脫落堆積嚴(yán)重的管子進(jìn)行割管檢測(cè)。從清理出的氧化皮數(shù)量表明：中寧公司#2鍋爐目前處于氧化皮生成多發(fā)期及氧化皮易脫落期。北京必可測(cè)科技公司到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)末級(jí)過(guò)熱器TP347H管子直管段內(nèi)壁氧化皮厚度及剝落情況檢測(cè)結(jié)果顯示：爐前與爐后相比，爐前側(cè)氧化皮剝落明顯，爐后側(cè)氧化皮分部較為均勻；從固定端數(shù)，爐前第24，27，28，32屏的第1根管，爐后數(shù)第25，28屏的第1根管氧化皮明顯偏厚。其主要分布狀態(tài)見(jiàn)圖3-圖6。氧化皮含量g磁場(chǎng)強(qiáng)度A/m圖3 爐前距下彎頭1.7m處第1根管氧化皮厚度分部狀態(tài)氧化皮含量g磁場(chǎng)強(qiáng)度A/m圖4 爐前距下彎頭4m處第1根管

6、氧化皮厚度分部狀態(tài)氧化皮含量g磁場(chǎng)強(qiáng)度A/m圖5 爐后距下彎頭1.7m處第1根管氧化皮厚度分部狀態(tài)氧化皮含量g磁場(chǎng)強(qiáng)度A/m圖6 爐后距頂棚下3.5m處第1根管氧化皮厚度分部狀態(tài)根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氧化皮形成、脫落、危害、預(yù)防的研究了解，中電公司#2爐過(guò)熱器內(nèi)存有大量氧化皮的原因，主要是金屬壁溫頻繁或長(zhǎng)期過(guò)熱超溫引起，過(guò)熱溫度雖然沒(méi)有達(dá)到使?fàn)t管蠕變的程度，但長(zhǎng)期超溫工況下運(yùn)行導(dǎo)致了金屬氧化加劇，氧化皮脫落后堆積在爐管內(nèi)，減小了管內(nèi)蒸汽的流通截面，蒸汽無(wú)法將爐管熱量及時(shí)帶走，導(dǎo)致?tīng)t管在短時(shí)間內(nèi)因過(guò)熱而強(qiáng)度急劇下降，在爐管內(nèi)蒸汽壓力的作用下最終導(dǎo)致爆管。在后續(xù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，中電公司運(yùn)行操作過(guò)程中，曾發(fā)生

7、多次爐管超溫運(yùn)行現(xiàn)象，最長(zhǎng)超溫時(shí)間達(dá)30分鐘之久。那么，爐管氧化皮是怎么產(chǎn)生的，應(yīng)如何防范，遇到此類(lèi)缺陷后如何處理呢？三、爐管氧化皮產(chǎn)生的機(jī)理及其危害（一）爐管氧化皮產(chǎn)生的機(jī)理。金屬的氧化普遍的、緩慢的、正常的化學(xué)現(xiàn)象。金屬表面的氧化本質(zhì)上是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程。室溫下，鐵合金產(chǎn)品，主要指各種鋼材，其表層首先生成的是Fe3O4，這層氧化膜非常致密，阻止了金屬的進(jìn)一步氧化，增強(qiáng)了金屬的抗氧化和抗腐蝕性。氧化后，金屬內(nèi)層為陽(yáng)極，表層為陰極，隨著時(shí)間的推移，二價(jià)鐵離子由內(nèi)層向外層擴(kuò)散，形成Fe3O4，而氧離子由外層向內(nèi)層擴(kuò)散，形成Fe2O3。由于Fe2+濃度比O2-大得多，所以這個(gè)氧化過(guò)程主要是Fe2

8、+的擴(kuò)散。該反應(yīng)需通過(guò)固態(tài)相變實(shí)現(xiàn)，所以雖然在較高溫下，其反應(yīng)速度依然較低，氧化速度和時(shí)間的關(guān)系呈拋物線關(guān)系。因此，一般鋼的表面形成的氧化物主要是Fe3O4和Fe2O3。當(dāng)溫度較高時(shí)，如溫度達(dá)到400時(shí)，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2。當(dāng)然，這個(gè)反應(yīng)不會(huì)在爐管內(nèi)發(fā)生，因?yàn)镕e與H2O因氧化層的阻隔，不會(huì)接觸反應(yīng)。當(dāng)溫度在570以上時(shí)，隨著原子能量的提高和遷移速度的加劇，F(xiàn)e3O4會(huì)顯得極不穩(wěn)定，發(fā)生Fe3O4+Fe=4FeO，F(xiàn)eO的厚度是Fe3O4的10倍，是Fe2O3的100倍，三種鐵氧化物從里到外分布順序?yàn)镕eO- Fe3O4- Fe2O3。由于FeO結(jié)構(gòu)較為疏松，晶

9、格缺陷多，鐵離子缺位，所以鐵離子有很高的擴(kuò)散系數(shù)，所以金屬氧化速度加快，抗氧化性急劇變壞，這時(shí)氧化和時(shí)間就變成直線關(guān)系，氧化皮生成速度加快。需要特別指出的是，當(dāng)爐管溫度冷卻到570以下時(shí)，F(xiàn)eO就會(huì)發(fā)生還原分解：4FeO=Fe3O4+Fe，所以FeO只是金屬氧化物在一定溫度條件下的不穩(wěn)定狀態(tài)。加速氧化氧化速度mg/cm-2爐管基體FeOFe3O4Fe2O3一般氧化時(shí)間/103h570以上時(shí)爐管氧化皮示意圖 氧化速度與時(shí)間的關(guān)系示意圖（二）氧化皮對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行的危害爐管內(nèi)的氧化物厚度如果在合理范圍內(nèi)，其不會(huì)影響鍋爐的安全運(yùn)行，但在氧化加劇的情況下，氧化皮脫落對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行會(huì)造成極大的危害：1、

10、氧化皮形成以后，達(dá)到一定厚度后就會(huì)剝離。氧化層剝離有2個(gè)主要條件：一是氧化膜達(dá)到一定厚度(不銹鋼0.1mm、鉻鉬鋼0.2-0.5mm)；二是溫度變化頻繁、幅度大、變化率高。過(guò)熱器的熱脹系數(shù)一般在(16-20)×10-6/，而氧化鐵的熱脹系數(shù)一般在9.1×10-6/，由于熱脹系數(shù)的差異，在氧化層達(dá)到一定厚度后，在溫度發(fā)生變化尤其是劇烈或反復(fù)變化，很容易從金屬本體剝離。氧化皮多數(shù)被蒸汽帶入汽輪機(jī)，在某些情況下會(huì)在爐管的U形彎頭底部沉積，阻礙蒸汽流動(dòng)，爐管溫度不能及時(shí)降低，從而引起爐管短期超溫爆管。2、微小的氧化皮顆粒被帶入汽輪機(jī)系統(tǒng)后，會(huì)造成主汽門(mén)的卡塞缺陷，影響機(jī)組安全性。3

11、、氧化皮固體顆粒對(duì)設(shè)備磨損而引起嚴(yán)重?fù)p壞，主要發(fā)生在汽輪機(jī)汽門(mén)桿、一級(jí)噴嘴單元和中壓汽輪機(jī)隔板等部位。4、此外，高溫下，伴隨著氧化作用，還會(huì)發(fā)生脫碳、腐蝕、滲碳、滲氮等多種反應(yīng)，破壞金屬的金相組織結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生腐蝕、脆化、裂紋等缺陷，加速爐管老化，降低爐管壽命。爐管壽命與溫度的關(guān)系可用拉爾森-米列爾關(guān)系式表示：T（C+lgr）=常數(shù)，其中C為常數(shù)，一般取C=20，計(jì)算誤差不超過(guò)10%；r為爐管壽命/h。由此式可推算出，當(dāng)溫度超過(guò)10時(shí)，爐管的工作壽命會(huì)減少一半以上，即超溫運(yùn)行1h，就相當(dāng)于在額定溫度下運(yùn)行2h。四、事故處理爐管內(nèi)壁氧化層超標(biāo)后，其處理起來(lái)比較麻煩。如果只有個(gè)別爐管有氧化現(xiàn)象，經(jīng)確認(rèn)

12、后，只要將氧化的爐管割除更換即可；如果氧化程度嚴(yán)重且范圍比較大，則應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗，并進(jìn)行蒸汽吹掃，徹底清理殘留在氧化皮顆粒，吹掃合格后方可投入使用。針對(duì)如中電公司#2爐過(guò)熱器處于氧化較嚴(yán)重、氧化皮易脫落的現(xiàn)象，銀儀檢修公司利用專(zhuān)用設(shè)備將金屬?gòu)椈缮烊霠t管內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)爐管進(jìn)行振打，對(duì)以形成的氧化皮殘余物進(jìn)行機(jī)械剝離（其實(shí)大部分氧化皮已在停爐過(guò)程中自行脫落），對(duì)淤積氧化皮的彎頭進(jìn)行割管處理，鍋爐投運(yùn)前進(jìn)行了化學(xué)清洗和蒸汽吹掃，并達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。五、防范措施金屬氧化引起的事故不僅帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)損失和安全風(fēng)險(xiǎn)，而且會(huì)顯著降低爐管的壽命。為最大限度地減少爐管內(nèi)氧化層生長(zhǎng)和剝落引發(fā)的問(wèn)題，可采取以下措施

13、：1、提高運(yùn)行控制和管理水平，嚴(yán)格控制管壁溫度，并適當(dāng)增加溫度較高區(qū)域的壁溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。火電廠鍋爐爐管的氧化與溫度有直接的關(guān)系，因此嚴(yán)格控制運(yùn)行溫度是延緩氧化、避免氧化加劇、延長(zhǎng)爐管壽命的最重要原因。一般，同一牌號(hào)的金屬管道其允許的使用溫度比最高允許溫度低30-50。2、調(diào)整鍋爐燃燒工況以改善煙道內(nèi)煙氣溫度分布場(chǎng)，避免爐管局部超溫。3、適當(dāng)降低超溫報(bào)警、預(yù)警溫度設(shè)定值，在不影響機(jī)組出力的情況下，降低爐管整體的溫度水平。4、嚴(yán)格按規(guī)程控制啟停爐的升降溫速度，尤其是不能進(jìn)行快冷。5、鍋爐啟動(dòng)時(shí)及時(shí)投入啟動(dòng)旁路系統(tǒng)，避免過(guò)熱器、再熱器干燒造成的管壁超溫。6、加強(qiáng)對(duì)鍋爐“四管”的金屬監(jiān)督，利用每次停機(jī)時(shí)機(jī)，對(duì)鍋爐重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)督檢查，測(cè)定爐管氧化皮的厚度，客觀地做出安全性評(píng)價(jià)。7、檢修過(guò)程中糾正出列的爐管，避免形成煙氣走廊使其局部溫度過(guò)高。結(jié)論：1、針對(duì)中電公司#2爐爆管事故的分析表明，鍋爐超溫運(yùn)行可加速金屬氧化，氧化皮脫落淤積會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管局部短期超溫爆管。2、在處理此類(lèi)事故過(guò)程中，關(guān)鍵是要將殘留在館內(nèi)的氧化皮清理干凈；寧夏銀儀檢修公司采取機(jī)械清理、化學(xué)清洗、蒸汽吹管等積極正確的措施，使機(jī)組順利投運(yùn)。3、防止設(shè)備事故發(fā)生的關(guān)鍵在于如何防范，本文提出的七條防范措施，其核心在于防止鍋爐超溫或局部超溫。4、實(shí)際上，金屬的氧化是電化學(xué)腐蝕過(guò)程，是一種不可逆現(xiàn)象，它