垃圾焚烧余热锅炉过热器频繁爆管事故原因分析及改造项目实例

1、前言

由某家外国公司提供基本设计、国内专业锅炉厂负责施工设计制造的多台500t/d级的垃圾焚烧余热锅炉，在投入运行使用半年多时间内多次对流受热面爆管事故，其中主要发生在二级过热器管前排下联箱管口根部。

针对上述问题，国内锅炉生产厂家多次专门组织相关设计、工艺、制造、检验人员，从设计结构、焊接工艺、制造材料、制作过程控制，并对过热器部分水动力计算、管口应力计算等方面进行了全面的讨论与分析，同时对由不同厂家生产制造的同类型垃圾余热锅炉进行了调查走访。从实际反馈的信息来看，主要原因认为还是提供基本设计的外国公司对垃圾余热锅炉过热器的蒸汽流速设计过低、过热器面积(二级)偏多、所选过热器材料的许用温度偏低所致。

垃圾焚烧余热锅炉

2、过热器结构对比

表1根据不同炉型和垃圾焚烧量的过热器结构和所用不同材料的爆管的对比

3、分析判断

在上述分析的基础上，又调研了解了已投入运行的由不同国外炉排公司提供基本设计，国内锅炉厂化设计制造的多台同类型结构，甚至同型号的垃圾余热锅炉在实际运行情况。如：扬州泰达500t/d垃圾锅炉、成都洛带400t/d、海南海口600t/d;首钢750t/d、佛山南海绿电500t/d、济南光大500t/d、天津泰达400t/d;广州李坑二期750t/d等垃圾余热锅炉。在实际运行中反映，只有由此家外国公司提供基本设计国内锅炉厂厂化设计制造的500t/d级别的过热器全部出现了下部弯管与联箱连接处频繁爆管，且同一区域、同一部位经返修后又多次重复出现管子联箱焊接根部径向断裂现象。

据了解，500t/d级垃圾余热锅炉此外国公司为国内首台设计。出现频繁爆管后，某国内生产厂家也对随后的同型号产品的生产制造工艺采取了一系列强化措施，如采用定尺管控制装配精度、材料100%探伤、全亚弧焊接、焊缝打磨圆滑过渡、焊后消应力处理等工艺强化措施，以及爆管处管排与联箱连接结构改造成其它国外公司的过热器结构形式，可在产品实际投入运行后相同区域部位仍旧出现了管子联箱焊接根部频繁拉裂爆管，根部断裂现象并未得到有效解决，由此个人认为同区域同部位经返修后仍重复出现管子焊缝开裂现象应该不属于制造质量原因。

表1不同炉型过热器结构对比

随后生产厂家再次专门组织技术人员，从过热器结构、水动力安全性等更深层次进行了分析讨论，在经过计算及比较论证后，基本认为此类由上下联箱组成管排式过热器结构刚性大，且蒸汽由管排一侧进出，管排之间易出现蒸汽流量不均，离蒸汽进口端越远流量越小，尤其是在管排内蒸汽流速过低的情况下不均匀性会更加严重，由此造成管排管子之间较大的壁温差异而引起热膨胀应力偏差，当管子间温度偏差超过一定值时管子拉断将不可避免。

并且也深刻分析了某用户500t/d垃圾锅炉为何频繁爆管常常出现在二级过热器的烟气进口端，为何三级过热器的出口端没有出现频繁爆管现象。现分析如下：二级过热器的烟气进口端与三级过热器的烟气出口端烟气温度相同，在外国公司提供的热力计算汇总表中表明二过的出口蒸汽温度已达到了390~C，而三过出口蒸汽温度为400~C。这样看来二过、三过的烟气温度及蒸汽温度基本相同。唯一区别为蒸汽侧的流速不同，三过的蒸汽流速为16.82m/s，二过的蒸汽流速为10.26m/s。经计算，二过质量流速仅为180Kg/s.m2，远低于我国JB/Z201-83电站锅炉水动力计算方法第122页表7-6单相流体部件重量流速的推荐值。即中压锅炉，对流过热器的质量流速推荐值为250~400Kg/s.m2。

按某外国公司提供的概念设计及锅炉技术协议，二、三级过热器材料选用15Mo3。该材料为低等级的合金钢，管子材料允许的使用温度为480~C。而国内常用的过热器材料为15CrMoG耐热温度为560~C，或12CrlMoVG耐热温度为580~C。

所以笔者认为外国公司在500t/d级垃圾佘热锅炉过热器的结构设计上是有一定缺陷的。

(1)二级过热器管面积偏多，使得蒸汽出口温度较高，平均值已达到390~C。

(2)蒸汽从集箱端部进出，另二级过热器管内的蒸汽流速设计过低，使得流量偏差较大。

(3)质量流速设计偏低加大了介质流量偏差，使得管排问管子传热不均，从而造成局部管子的实际金属壁温远高于平均值(局部过热)，并由此造成管排管子之间更大的热膨胀应力偏差。

(4)过热器管系材料采用了15Mo3，其管子材料允许的使用温度仅为480~C; 在火力发电设备技术手册第一卷“锅炉篇”第十三章“锅炉材料”中明确表明“选用15Mo3钢应慎重，在480~C以上长期运行会产生严重石墨化”。

(5)该锅炉采用了振打清灰装置，必须要采用上下联箱组成管排式过热器结构，该结构刚性较大，运行中容易存在应力集中的现象。

以上几个原因都集中在二级过热器，故蒸汽出口端(该处为蒸汽温度最高点，也是烟气温度最高点)出现频繁爆管的现象。为此，国内某用户对锅炉故障部位扩大范围进行了割管取样，并委托相关专业部门进行进一步金属检验分析，并被判定为“过热老化，建议更换”。终上所述，充分证明了此外国公司在500t/d级垃圾余热锅炉过热器的设计上是有一定缺陷的。

4、改造措施

根据上述调研及分析结果，外国公司设计的500t/d垃圾余热锅炉过热器结构现场改造意见如下：

(1)由于二级过热器管子已出现过热老化现象，所以二级过热器必须部分更换。但考虑不留安全隐患，可以考虑更换全部二三级过热器，同时管子材料改为12CrlMoVG，提高过热器材料的许用温度。

(2)为提高二级过热器的蒸汽流速，建议过热器规格由原来的51×5改为42×5。这样三过蒸汽流速为22.5m/s，二过蒸汽流速为16.9m/s。由此增加了汽侧阻力为0.3Mpa，安全阀的整定压力需现场调整。

(3)由于规格改变，受热面积有所减少。经计算，二级过热器蒸汽侧进口温度为287~C，出口温度为370~C。三级过热器蒸汽侧进口温度为355℃，出口温度为405℃。

(4)将过热器下部联箱结构由图1改图2的U形管结构，从而消除管子问温差引起的受图1原设计结构下联箱限制的热膨胀应力影响。过热器结构图.png

(5)由于将过热器下部联箱结构改为U形管结构，原振打清灰装置取消，建议采用蒸汽吹灰或激波清灰。