刘 学

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

高压加热器过热段爆管分析

刘 学

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

为了解决高压加热器的爆管问题，从高压加热器在电站回热系统中的运行状态着手，从多个方面分析了高压加热器爆管的主要原因。高压加热器爆管常发生在过热段，通过热应力进行理论性分析，使整个分析过程更具有说服力，为高压加热器的优化设计提供借鉴。

高压加热器；换热管；爆管；隔板；疲劳；热应力；原因；分析

1 概述

我国的火力发电占据了整个能源结构中最重要的一环。随着我国对节能减排的要求不断提高，技术在不断进步，火电市场正在发生着一场新的技术革命。高压加热器是火电站、核电站节能减排必备的重要设备，根据计算，某电厂的给水温度每提高1℃，每年能节约燃煤约246 t。高压加热器是火电、核电厂回热系统中的节能设备，可利用汽轮机抽汽加热锅炉给水，使给水达到所要求的给水温度，从而提高电厂的热效率并保证机组出力，是提升电厂热效率的重要环节。所以，高压加热器的投运率，是影响电厂节能效率的重要因素。据统计，国内高压加热器的使用寿命，一般不超过12年。导致这种结果的因素有很多，有必要对其中的原因进行分析。

2 高压加热器系统布置及结构特点

2.1 高压加热器系统布置

在国内300 MW～600 MW机组中，辅机系统较流行的布置方式，是采用3台高压加热器、4台低压加热器及1台除氧器的布置形式。在1 000 MW单列机组中，通常在3号高压加热器上面，又设置了1台外置式蒸汽冷却器，以提高整个机组的热效率。外置式蒸汽冷却器与高压加热器采用串联连接布置，充分利用了过热蒸汽的汽化潜热，提高了电厂发电机组的热经济效率。

图1所示系统，是1 000 MW机组单列高加系统布置图。1、2、3级抽汽分别供给1台蒸汽冷却器和3台高压加热器，蒸汽冷却器壳侧与3号高压加热器串联连接。4级抽汽供给除氧器，4级抽汽还作为给水泵汽轮机正常运行汽源及辅助蒸汽系统汽源。汽轮机抽汽在1号高压加热器完成热交换后，产生的疏水依次进入2号、3号高压加热器中继续进行换热，提高给水温度。1号、2号、3号高压加热器蒸汽凝结成的疏水全部进入除氧器，除氧器充分利用高压加热器疏水的汽化潜热，加热进入除氧器的凝结水，完成整个系统的换热。系统的运行参数，如表1所示。

图1 1 000 MW机组单系列高加系统布置图

表1高压加热器及蒸汽冷却器参数

2.2 高压加热器的结构

高压加热器（简称高加）的主要部件是水室、管系及外壳。管系包括了管板、换热管、支撑板、防冲板、包壳板等零件。管系又可按换热方式，分为过热段、凝结段、疏水段。高压加热器的结构，如图2所示。

图2 高压加热器的结构

大量的数据统计显示，引起高加爆管的区域主要发生在过热蒸汽冷却段。过热段位于高加给水的出口处，汽轮机抽汽是带有较高过热度的蒸汽，高加利用抽汽加热给水，给水被加热至相当于蒸汽的饱和温度，提升了回热系统的传热效率。过热蒸汽冷却段的换热管被包壳板和遮热板封闭，过热蒸汽冷却段内设有隔板，迫使蒸汽以设定的流速和方向流过换热管的表面，才能达到良好传热效果。这种封闭结构避免了过热蒸汽与管板、壳体的直接接触，降低了管板与壳体的热应力，并使蒸汽保留有足够的过热度，以保证蒸汽离开该段时呈干燥状态，防止湿蒸汽冲蚀换热管。从高加的设计角度考虑，通过设置过热段保证高加设备的安全运行，如取消高加过热段，可能引起其他设计上的问题，也会降低整个回热系统的换热效率。

3 爆管分析

对多个电厂的高压加热器进行调研，发现我国火电站高加的换热管，常采用碳钢管，材质为SA-556Gr.C2。高加运行约5年后，就有爆管现象的发生，而且爆管现象常常多发于过热段，不少国内专家对此类爆管现象，各有不同的看法。从共性因素进行分析，引起换热管束损坏的三个必要因素是温度、应力及振动。

3.1 机组启停机的影响

高加在启动和停机过程中，工况较苛刻，温度变化的速率过大，高加换热管的内外壁存在温度差，使管壁受到较大的温差应力，造成换热管的二次应力超标。高加长期运行后，某些高加换热管的表面可能已存在缺陷，如再与内外壁温差应力相叠加，则容易在换热管的缺陷处发生损坏，引起换热管断裂。因此，通常规定高加运行时的负荷变化速度不宜太快，温升速率不大于3℃/min，温降速率不大于2℃/min。

3.2 换热管支撑间距的影响

高压加热器过热段的蒸汽流速往往较高，换热管与隔板支撑间距一般均大于0.3 m，有些间距甚至更大，而过热段的内部结构又比较复杂，蒸汽在该处易产生涡流等现象，涡流将导致换热管不断地撞击隔板，隔板对换热管产生一个横向的剪切力，经长时间的剪切作用，最终在换热管与隔板的接触处将发生破裂现象。

3.3 管束的振动

高压加热器各换热段的布置是按照运行参数进行设计，并不能满足所有的实际工况条件。设计后，高加的过热段换热面积是固定的，不能通过人为因素改变，所以，当机组低负荷运行时，如果过热段的设计面积过大，过热段内会产生凝结水，段内将有汽、液两相的两种介质，随着介质流动，汽液会不断撞击换热管，导致高压加热器的管束发生振动。

3.4 原材料的制造

国内火电的高加换热管采用无缝钢管，无缝钢管的加工制造，主要是利用挤压或冷拔的工艺方式进行加工。目前，国内换热管制造厂常采用挤压工艺制造换热管。利用冷拔工艺加工的换热管加工精度高，具有管子表面光洁度好等优点。采用挤压工艺进行加工，在无缝管的表面常会产生细小的纵向裂缝，以螺旋状分布在管内表面，且无法消除，也会在管子表面产生峰值应力。换热管挤压加工的示意图，如图3所示。换热管经挤压加工后，管内表面的细缝，如图4所示。

图3 换热管挤压加工示意图

3.5 水质的影响

图4 挤压后换热管内表面的细缝

高加换热管如采用碳钢管，其耐腐蚀性能较差，所以要设法减缓管材的腐蚀速率。通常情况下，电厂对水质的要求并不高，较差的水质引起换热管的耐腐蚀性能下降。为提高换热管的使用寿命，应将给水的p H值控制在合理的范围内。对亚临界机组的无铜给水系统，水质的p H值应维持在9.2～9.6；对于有铜给水系统，水质的p H值应为8.8～9.2；对于超临界机组，水质的p H值应≥9.4。给水的含氧量应为5～7μg/L，因为给水的p H值在高于8.8的环境中，会促进碳钢管表面形成一层保护膜，可防止换热管材料的腐蚀。

图5所示为高加不锈钢防磨套管实物，实物的表面已完全变黑，可以看出不锈钢防磨套管表面的氧化程度相当严重。套管在高温给水中已被化学腐蚀，给水的水质严重超标。对电厂的给水进行实际抽样，给水为31.4℃时，测得给水的p H值为8.07。因电厂的水质测量记录中并没有给水含氧量的记录，所以，对于碳钢换热管造成腐蚀比不锈钢更严重。必须严格控制电厂的运行水质，否则将严重影响换热管的使用寿命。实测给水p H值的数据，如图6所示。

图5 套管的氧化图

图6 实测给水p H值的数据

3.6 换热管材质的选择

国内高加换热管大多都采用SA-556Gr.C2碳钢管，由于该种材质的耐冲蚀能力较差，导致换热管的管壁减薄量比较大，影响了高加设备的运行寿命。采用不锈钢换热管可有效提高换热管的抗冲刷能力，延长换热管的使用寿命，据统计，不锈钢换热管的有效使用寿命，可达20年，而碳钢换热管的使用寿命，仅为8～10年。从长远计，不锈钢换热管的前期资金投入较大，但从设备长期运行效益考虑，采用不锈钢换热管更加合理。

4 结 语

通过分析高压加热器的爆管原因，对各种影响因素进行了分析，解说了换热管损坏的主要原因，为换热管的损坏分析，提供了很好的借鉴经验。同时，对机组的运行调试，提出了一些操作方面的要求，也为换热管的爆管分析提供了参考。随着科学技术的不断进步，模拟高压加热器运行状况的技术不断出现，可更加充分地分析影响高压加热器使用寿命的各个因素，也为提高高压加热器的使用寿命提供了保障。

［1］水利电力部西北电力设计院.热机计算手册［M］水利电力部西北电力设计院出版，1973.

［2］中国动力工程协会.火力发电设备技术手册［M］.机械工业出版社，2002.

［3］Heat Exchange Institute，Inc.Standards for Power Plant Heat Exchangers［s］，3rd Edition，2004.

［4］李建国.压力容器设计的力学基础及其标准应用［M］.机械工业出版社，2004.

Analysis for Tube Explosion in the Desuperheating Zone of High Pressure Heater

LIU Xue

（Harbin Boiler Co.，Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang，China）

In order to resolve the problem of tube explosion，the paper has analyzed the main reasons of tube explosion from various aspects，based on the HP operation condition in the heat regenerative system of power plants.Tube explosion often happens in overheat section.Through heat stress calculation and theoretical analysis，the paper provides recommendation for the improvement of HP design.

HP；tube exchanging tubes；tube explosion；baffle；fatigue；heat stress；reason；analysis

TK264.9

：A

1672-0210（2015）01-0010-03

2014-11-28

刘学（1980-），男，毕业于西安交通大学，工程师，从事汽轮机辅机的设计开发工作。