孙玉树

(绍兴市特种设备检测院,浙江绍兴 312071)

浅析循环流化床锅炉水冷壁管磨损问题

孙玉树

(绍兴市特种设备检测院,浙江绍兴 312071)

本文针对循环流化床锅炉水冷壁管磨损现象,通过三个典型的案例分析,浅析循环流化床锅炉磨损原因,指出各热电厂的不同防磨方法,并从设计、安装、使用方面提出有关防磨措施。

循环流化床 水冷壁管 磨损 措施

循环流化床锅炉正在我市大力推广,现各热电厂不论是新安装的锅炉,还是旧锅炉改造,都采用这种燃烧方式。该炉具有煤种适应性广、热效率高、污染物排放少等优点,主要缺点是流道内受热面磨损比链条炉、煤粉炉要大,特别是炉膛内水冷壁管磨损较严重。如何预防和减少磨损的发生,这就成了我们研究的课题。下面通过三个检验案例的分析,寻求水冷壁管磨损的原因、预防和处理措施,以供分析研讨。

1 检验案例

(1)2014年1月对一台刚改造2．5年的锅炉进行停炉内外部检验(锅炉型号EG-90/9．8-M,设计温度540℃,制造2010年04月,投用2011年08月),发现炉膛下部浇注料上1．5米处后水冷壁管(规格φ51×4．5,材质为20G),从左往右数第45-51根共7根壁厚为2．73-3．08mm,已低于最小允许壁厚3．083mm,比理论计算壁厚2．583mm厚。因其余管子壁厚在3．4mm以上,尚属正常范围,热电厂对该区域管子(包括这7根)进行了超音速电弧防磨补喷涂(该炉安装合格后已预防性喷涂硬质耐磨合金),防止管子磨损的发展。我院要求使用单位每1～2个月进行检验,监视磨损发展情况,若管子壁厚低于理论计算壁厚,应由专业单位修复,同时要求用户做好准备,及时更换该区域管子。

(2)2010年11月对一台使用6．5年的锅炉进行停炉内外部检验

(锅炉型号UG-75/5．3-M19,设计温度485℃,制造2003年10月,投用2004年05月),发现水冷壁管(规格φ60×5．0,材质为20G,总根数174根)普遍有磨损现象。有二个区域磨损较严重,一个是炉膛下部浇注料与水冷壁管交界处0-20mm范围有55根磨损严重(壁厚为2．8-3．3mm),占总数的32%;另一个是浇注料上3．5m处,左、右、前、后水冷壁管共有40根磨损严重(磨损并不是在炉膛四周均匀发生,而是与炉内的物料流动状况有关随机分布),壁厚为3．0-3．3mm(最小许用壁厚为2．75mm),占总数的23%。热电厂对炉膛下部浇注料与水冷壁管交界处用耐火可塑料浇注,升高浇注料30mm,覆盖住磨损部位;对浇注料上3．5米处管壁磨损,哪里磨损严重,就局部焊上销钉,浇注耐火可塑料进行防磨。平时,按计划停炉时均对水冷壁管进行测厚检查,如发现管子壁厚低于理论计算壁厚或爆管泄漏的立即进行割管修理。

(3)2008年2月一台使用5．5年的锅炉进行停炉内外部检验(锅炉型号NG-130/9．8-M,设计温度540℃,制造2001年12月,投用2002年07月),发现左、右、后水冷壁管(规格φ60×5．0,材质为20G)磨损严重,对水冷壁管(炉膛下部浇注料与水冷壁管交界处并向上4．0m范围内)不同部位共测厚150点,厚度在4．05mm以下的有56个测点,最小厚度为3．0mm(强度计算书中锅炉水冷壁管理论计算壁厚为4．05mm,最小许用壁厚为5．0mm)。我院出具检验报告,结论为停止运行,提出由专业单位修理,并经监检合格方可使用。

热电厂根据供热的情况以及修理时间的准备,提出进行应急堆焊修理。2008年4月由专业修理单位进行堆焊,壁厚小于理论计算壁厚4．05mm的水冷壁管均堆焊处理,焊后对高出管壁的焊肉进行打磨,使焊接部位管壁保持圆滑,经实测壁厚均在4．05mm以上。我院对堆焊处外观检验和磁粉探伤合格,堆焊质量符合要求。

堆焊合格后,立即由专业喷涂单位对水冷壁管进行超音速电弧喷涂处理,合格后投入使用。我院要求使用单位日后每1～2个月对喷涂情况进行检查,同时对水冷壁管进行测厚,发现厚度＜4．05mm时,立即进行处理。

使用一段时间后,用户作好了准备,于2009年2月进行水冷壁管割管大修。水冷壁管标高10533mm-14257mm范围(炉膛下部浇注料与水冷壁管交界处向下100mm处割开,从割开处向上3724mm处再割开)由专业安装单位进行割管更换,更换数量290根,管子对接焊接接头580只(焊材TIG-50),X光摄片580张,底片经复审合格,并进行水压试验合格,随即由专业喷涂单位对水冷壁管进行超音速电弧喷涂处理,合格后投入使用。

该炉一年后还由原制造厂进行了旋风分离筒和二次风的改造,2012年5月停炉内外部检验时,经测厚水冷壁管最小壁厚为4．5mm,磨损较少,情况正常。

2 原因分析

通过以上案例可以看出,水冷壁管磨损主要发生在炉膛下部浇注料与水冷壁管过渡区域管壁(包括交界处的磨损和交界处向上至4．0m范围内),炉膛四周角落区域管壁,不规则区域的管壁。

水冷壁管磨损是与炉内的物料相对运动引起的,必须分析循环流化床锅炉炉内的流动特性。

循环流化床锅炉在燃烧室内有大量的循环物料,循环有二种形式,一种是密相区的颗粒和灰份经炉膛上部出口进入高温旋风分离器,把飞灰中粒径较大、含炭量高的颗粒回收重新送入炉内燃烧,即外循环;另一种是随气流上升到稀相区的物料,由于颗粒团时聚时散以及边壁效应在水冷壁管附近形成浓度很高的下降流,重新返回炉膛下部密相区燃烧,即内循环。内循环的循环量要远大于外循环,贴壁下流的高浓度颗粒将直接冲击水冷壁管,造成水冷壁管冲蚀磨损, 密相区边壁的颗粒还有横向速度,使得颗粒对水冷壁管的冲刷、撞击加剧。

磨损原因主要与风速、颗粒浓度、颗粒尺寸、颗粒形状及与受热面的碰撞角度、以及流场的不均匀性等密切相关。有研究表明,磨损与风速的3～4次方(值的大小与灰粒的性质、浓度和粒度有关)成正比,随着风速增加,磨损显著增加;磨损与颗粒浓度成正比,炉膛下部的颗粒浓度较大,磨损较多,随着高度增加,磨损呈下降趋势,但长度有所增加,故炉膛上部水冷壁管磨损较轻,一般不影响正常使用。流场的不均匀性一般与设计、制造、安装及运行控制有较大关系。

磨损形式主要是冲蚀磨损。一种是颗粒与水冷壁管表面的冲击角度较小,甚至接近平行,颗粒对水冷壁管表面类似进行磨削,一定时间后,表面将产生磨损,即冲刷磨损。另一种是颗粒相对于水冷壁管表面冲击角度较大,有的接近垂直冲击,使表面产生微小的塑性变形或显微裂纹,在炉膛内大量的颗粒反复冲击下,塑性变形层逐渐脱落而形成的磨损,即撞击磨损。

炉膛下部浇注料与水冷壁管过渡区域管壁的磨损原因：一个是因物料炉内循环,固体物料贴壁下流,而贴壁下流的颗粒在交界区域产生流动方向的改变产生冲刷,使水冷壁管产生磨损。另一个是在过渡区域内沿壁面向下流动的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反,在局部产生涡流,加大颗粒流对水冷壁管撞击、冲刷,使水冷壁管产生磨损。

炉膛四周角落区域管壁的磨损原因是角落区域由二个水冷壁面交汇而成,内壁的磨擦以及颗粒直接的相互作用使颗粒能够更多的聚集在一起,同时流动状态也受到破坏,二者的共同作用使得角落磨损加剧。

不规则区域管壁(如炉内测试元件穿墙处、炉墙开孔处的弯管、管壁上焊缝等)的磨损原因主要是不规则管壁对局部的流动特性造成较大的扰动,造成颗粒浓度的变化和局部区域颗粒流的转向形成的。运行经验表明,炉内即使很小几何尺寸的不规则也可能引起局部严重的磨损。

3 处理方法

根据水冷壁管磨损程度和分布区域,我市热电厂一般采用三种方法处理：超音速电弧喷涂,局部耐火可塑料浇注,割管修理。

(1)超音速电弧喷涂是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极,在其端部产生电弧作为热源,用压缩空气将熔化了的丝材雾化并以超音速喷向工件,由于速度高,雾化的粒子细小均匀,从而能获得高质量的涂层。水冷壁管表面用超音速电弧喷涂硬质耐磨合金后,摩擦系数降低,涂层孔隙率低,涂层结合强度高,耐磨性能大大提高。

(2)局部耐火可塑料浇注。耐火可塑料是用耐火骨料、粉料、化学复合剂等配制而成的一种耐火材料,具有优异的耐磨性、超强的黏结性和合适的使用温度,包装贮存一定时间内仍具有良好的可塑性。耐火可塑料与耐火浇注料相比的一个最大优点就是它的抗热震性能好。施工前先在水冷壁管表面焊接销钉,然后用捣打、振动或挤压方法把耐火可塑料铺设上去。施工工艺较简单,工期短,施工完毕后无需烘炉即可运行。

(3)割管修理。管子壁厚小于理论计算壁厚的,必须进行割管修理;有些管子壁厚小于最小许用壁厚的或管子壁厚不能用到下一周期的管子都属割管范围。割管应由专业单位进行,有施工方案,割管数量达整组受热面50%以上的重大修理,应当在施工前向当地质监部门告知并向特种设备检验单位申请监督检验。随后进行割管、焊接,对焊口进行X光拍片或超声波探伤,进行水压试验等,合格后方可投入使用。

4 结语

由于循环流化床锅炉的特性决定了受热面必然存在磨损,水冷壁管磨损又是锅炉受热面磨损最严重的部位之一,随着运行时间加长,水冷壁管磨损问题会越来越突出,这就要求我们采取预防措施,一般可从三个方面加以考虑。

设计方面的措施。炉膛下部浇注料处水冷壁管可采用让管设计,使过渡处保持平整;在保证流化状态下,炉膛内尽量降低流速,优化一、二次风配比;给煤、二次风等接口与水冷壁可采用预制式结构设计,保证良好的密封而且不产生磨损;可以将炉膛二个水冷壁面交汇角改为局部小斜角来降低此处的物料浓度等。

安装方面的措施。主要是做到炉膛内表面管子的平整。水冷壁管子上清除凸出障碍物,做到“平”、“直”、“滑”,不要有凸起的部位;水冷壁管对接处应减少折口、错口的存在;磨损严重部位的焊口应打磨光滑、平整;清除干净安装时临时焊件;安装完毕后立即对日后磨损严重的部位进行超音速电弧喷涂处理等。

使用方面的措施。平时应有计划停炉,加强对重点部位的监督和检查,测定日常磨损量和察看是否有不可预测的磨损发生;定期对炉膛下部浇注料与水冷壁管交界处并向上4．0m之间水冷壁管,炉膛四角处和不规则区域水冷壁管进行超音速电弧喷涂;对浇注料与水冷壁管交界处的磨损,以及其它局部磨损,可采用耐火可塑料浇注,覆盖磨损部位;对水冷壁管壁厚已小于理论计算值的,或发现时已爆管的,应做割管处理;运行时调整好锅炉状态,严格控制适宜的入炉风量,选择合适的炉膛差压、料层差压,注意控制入炉煤的煤质和粒度,入炉煤粒度最大不应超过13mm等。

通过一系列的防磨工作,较好地减轻了磨损的发生,延长了每次投用时间,减小了非预期的停炉时间,确保锅炉长周期、满负荷的安全运行,较好地发挥了循环流化床锅炉的优势。

[1]全国电力行业CFB机组技术服务协作网组编.循环流化床锅炉技术600问[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2]路春美,程世庆,王永征.循环流化床锅炉设备与运行[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3]张建胜,吕俊复,刘青等.循环流化床锅炉设计方法研究[J].锅炉制造,2003,(01).