裴渐强 佟 桁 姜建华 徐 冬

（1.河南省锅炉压力容器安全检测研究院新乡分院 新乡 453003）

（2.河南省锅炉压力容器安全检测研究院 郑州 450016）

1 锅炉基本情况

某电厂2#锅炉，型号为DG2102/25.4--II1，出厂编号为118035，出厂日期为2006年9月，其基本参数为：最大蒸发量2102t/h，过热蒸汽出口压力25.4MPa，过热蒸汽出口温度571℃，再热蒸汽出口压力4.11MPa，再热蒸汽出口温度569℃，再热蒸汽流量1760t/h，给水温度282℃，省煤器出口过剩空气系数1.14，空预器出口一次风温332℃，空预器出口二次风温347℃，排烟温度132℃，锅炉效率92.51%，燃煤（设计煤种）耗量244.36t/h。该锅炉是一次中间再热、超临界压力变压运行的本生直流锅炉，单炉膛、平衡通风、全钢架全悬吊结构，Π型露天布置。锅炉采用HT-NR3旋流燃烧器，前后墙对冲布置，共4层，下三层为煤粉燃烧器，每层8只，共24只；第四层为燃尽风，每面墙6只，共12只。

2 爆管情况

该锅炉在168小时试运过程中，曾经发生三次爆管，具体情况如下：

1）第一次爆管：2007年6月12日12：30分左右，第一次试运约124h，运行人员发现补水量突然增大约80t/h，泄漏报警仪报警，现场检查确认为高温过热器爆管，16：05紧急停炉。冷却后，6月14上午现场察看，共有3根管子发生爆管，分别是末级过热器（自左至右共计31排管子）左数第15排前数第14根，左数第16排（末级过热器正中间）前数第8、10根管。首爆管初步认为是左数第16排（末级过热器正中间）前数第8、10根管（左数第15排前数第14根爆口两侧无明显涨粗），爆口两侧管子各约300mm范围内管子有不同程度的胀粗现象，最大直径达到48.4mm，且爆口附近无冲蚀痕迹，爆口距顶棚约4.8m，管子经左右撞击已严重扭曲，向前撞击了屏过，左右撞击末级过热器，向后撞击了高温再热器。

图1 左往右数第16排前数第10根爆口

图2 左往右数第16排前数第10根爆口

图3 左往右数第16排前数第8根爆口

爆破管子材质为TP347H，规格为φ45×6.9 mm，对爆口及附近管子进行宏观检验，左往右数第16排前数第10根末级过热器爆口宏观形貌如图1、图2所示；左往右数第16排前数第8根末级过热器爆口宏观形貌形状如图3所示，爆管已撕裂断开。爆口沿管子轴向开裂，无冲刷痕迹，爆口附近外表面裂纹呈轴向分布；爆口边缘明显减薄，厚度约为2mm，爆口处有明显涨粗，爆口有剪切唇，属于韧性开裂。爆口附近（300mm内）最大涨粗值分别为48.4、48.4、48.04、48.2mm，对爆破管子其它位置进行测量最大涨粗值分别为45.9、45.8mm。对15、16、17排未爆破管子进行测量其外径均在45.1～45.2mm之间。

2）第二次爆管：2007年6月22日20：20分左右，第二次试运约54h，运行人员发现泄漏报警仪报警，补水量突然增大，经现场检查确认为高温过热器爆管，21：51紧急停炉。冷却后，6月24上午现场察看，检查发现第16排管子前数第11根靠近中部位置爆管，爆口距顶棚约6m，管子经左右撞击已严重扭曲，向右侧穿过4排管子，又折向左侧穿过2排管子。

爆破管子材质为TP347H，规格为φ45×6.9 mm，管子为上次更换过的新管，爆口附近最大涨粗值分别为48.1、47.7，爆口附近有10余条微裂纹。对14、15、16、17、18排未爆破管子进行测量，其外径均在45.1～45.2mm之间。

3）第三次爆管：2007年6月29日凌晨3：15左右，第三次试运约20h，锅炉再次发生爆管，4：40左右紧急停炉。7月2日经现场检查，确定为高温过热器左数第16排出口段后数第13根管中部爆管，爆口距顶棚约7.8m，管子经左右撞击已严重扭曲，向右穿过17、18排，向后左方又穿过高再第17、16排。

爆破管子材质为TP347H，规格为φ45×6.9 mm，爆口附近最大涨粗值分别为48.1、49.0，爆口附近800mm有20余条微裂纹。对13、14、15、16、17、18、19排未爆破管子进行测量其外径均在45.1～45.2mm之间。

3 处理措施

1）第一次爆管发生后，为了完成原订于2007年6月30日试运完毕的计划，笔者初步认定爆管属于短时超温爆管，爆管原因可能是管子材质存在问题，也可能是管内异物引起的。笔者要求电厂对屏过出口集箱、末级过热器进口集箱进行检查。用内窥镜检查末级过热器进口集箱发现第15排前数第9号管管口处有一焊渣（见图4）， 第16排前数第9、10号管口之间有一段扁钢长约350mm，宽度约35mm，第 23排10号管管口处发现一“眼镜片”（见图5），在第17排前数第10号管管口处发现一段8号铁丝，长度约150mm（见图6）；将上述异物全部取出并将整根集箱内部清理干净。6月18日抢修完毕（抢修所用管子为仓库余料，与安装时所用管子为同材质、同批次，对所有泄漏和损伤的管子全部进行了更换），开始第二次点火试运。

图4 焊渣长度（80×30mm）

图5 φ25mm的类“眼镜片”

图6 长150mm V形铁丝

2）第二次爆管发生后，检查发现爆破管子为第一次检修时更换过的新管，爆口与第一次爆管的特征相似，爆口附近有10余条微裂纹，于是笔者仍认为第二次爆管属于短期超温过热爆管，爆管原因和第一次相同。为确认爆管是否由材质不良引起的，笔者对爆破管子的金属元素、金相组织进行了分析，分析结果表明材料中各元素含量及金相组织均属正常（分析结果详见爆管原因分析部分）。

6月26日抢修完毕，抢修所用管子为从锅炉制造单位新进材料，使用前对管子进行了全元素光谱分析，符合TP347H标准要求，规格为φ45×6.9mm，将末级过热器爆管的第16排第11根管子以及其他损伤的管子全部进行更换，之后开始第三次点火试运。

3）第三次爆管发生后，电厂再次组织专家进行事故原因分析，要求务必确定事故原因，消除所有隐患，确保锅炉的安全运行；6月30日双投时限向后推迟。根据对管子的金属元素、金相组织进行分析结果基本正常，第三次爆口与第一、第二次爆管的特征相似，爆口附近仍有20余条微裂纹的特点，笔者确定第三次爆管仍属于短期超温过热爆管，原因为管内异物引起。笔者要求电厂对锅炉后包墙集箱进行内窥镜抽查，对低过、屏过、末级过热器、减温器所有集箱进行检查，将所有赃物、杂物彻底清除；对末级过热器第15、16、17排管子逐段进行涨粗检查，第16排的20根管圈逐根进行通球；同时要求锅炉制造单位对末级过热器节流圈进行设计校核。

检查发现，屏过入口分配集箱第6排一管口内有一段长度约120mm铁丝，屏过入口分配集箱左第7根端盖处发现一断裂砂轮片的网状纤维组织，面积约15×20mm，屏过入口分配集箱第11排一管口附近发现一环形机加工铁屑，直径约30mm；末级过热器进口集箱第16排第13根管口处有一氧化铁块，长度约60mm，最宽处约15mm，正卡在管口处；在末级过热器进口集箱第16排第16根管口附近还发现两个氧化铁块，一块尺寸约10×24mm，另一块尺寸约95×25mm。发现的七块异物全部取出。其余集箱检查均未发现问题。

对炉内高温过热器第15、16、17排管子逐根分段进行胀粗、壁厚和外观检查，每隔1.5m选取一个点测量，没有发现异常。对末级过热器第16排20圈管子全部进行通球检查，均顺利通过，未发现问题。

锅炉制造单位对节流孔和管子设计进行了重新计算和校核，结果表明节流孔设计及管子规格、材质满足使用要求，未发现不当之处。

7月7日抢修完毕，开始第四次点火试运，168小时试运顺利完成。

4 爆管原因分析

第二次爆管发生后，为确认爆管的主要原因是否由材质不良引起的，笔者对管子（样管为第一次爆破的管子，左往右数第16排前数第8、10根末级过热器管子）的金属元素、金相组织进行分析。对爆口处管子进行全光谱分析，结果见表1，各元素含量均正常。

表1 管子全光谱分析结果

对爆口及附近管子进行金相分析，结果如金相照片（见图7～图10），爆口端部：沿周向变形拉长的奥氏体组织，外表面存在小裂纹。爆口附近：金相组织为等轴状奥氏体，存在孪晶。爆口及附近金相组织均正常。

根据宏观检查和上述分析结果，笔者认为爆管的主要原因是异物堵塞（或部分堵塞）造成气流不畅，引起管子超温以致爆破，属于短时超温爆管。

图7 爆口端部金相组织（500×）

图8 爆口端部外表面形貌（200×）

图9 距爆口40mm附近组织（500×）

根据宏观检查和上述分析结果，笔者认为爆管的主要原因是异物堵塞（或部分堵塞）造成气流不畅，引起管子超温以致爆破，属于短时超温爆管。

爆管的主要原因是异物堵塞，异物应由蒸汽携带而来。蒸汽垂直携带水滴当量直径计算公式为：

式中：D——蒸汽携带水滴当量直径，m；

ξ——蒸汽对水滴的摩擦系数，ξ=10/Re1/2；

ρ1——水滴质量密度，kg/m3；

ρ2——蒸汽质量密度，kg/m3；

v2——蒸汽流速，m/s ；

g——重力加速度，m/s2。

图10 距爆口70mm附近组织（500×）

该锅炉从屏式过热器出口集箱至末级过热器进口集箱由两根管道连接，管径均为φ508×85mm，经计算可知，连通管内蒸汽流速约为v2=42.7m/s。根据末级过热器进口集箱设计参数p=25.9MPa、t=509℃，可查得蒸汽质量密度ρ2=90.7kg/m，蒸汽运动黏度系数μ=0.0000326Pa·s；则动力黏度系数v=μ/ρ2=3.59×10-7m/s， Re=v2d/v=40200000(d——管道内直径，0.338m)，ξ=10/Re1/2=0.00158，按ρ1=1000kg/m代入式（1）得D1=0.022m，即蒸汽垂直携带水滴直径可达22mm。蒸汽水平携带水滴时由于沿程摩擦阻力比重力为小，蒸汽水平携带水滴直径将大于22mm；蒸汽水平携带非金属物质时由于沿程摩擦阻力比水滴为大，蒸汽对非金属物质的摩擦系数比水滴大，非金属物质质量密度与水滴质量密度相近，则蒸汽水平携带非金属物质时当量直径仍然可达几十毫米；蒸汽水平携带金属物质时由于沿程摩擦阻力比水滴为大，蒸汽对金属物质的摩擦系数比水滴小，且金属物质质量密度约为水滴质量密度的8倍，则蒸汽水平携带金属物质时当量直径可达几毫米，远较非金属物质为小，但钢丝之类的金属仍可携带。

从上述计算和推断，笔者认为屏式过热器出口集箱至末级过热器进口集箱的连通管道内，蒸汽完全有能力携带当量直径几十毫米的非金属焊渣及网状物质，而这些物质一旦落到了末级过热器进口集箱的管口处（节流圈直径φ=12.5～14.5mm）将会造成管口的堵塞，使个别管子气流不畅，以致引起短时超温爆管。

既然蒸汽有能力携带非金属焊渣及网状物质堵塞末级过热器进口集箱的管口处，那么用内窥镜检查时怎么见不到上述物质呢？是根本不存在还是被蒸汽带走了呢？下面我们以第16排第10根（节流圈直径为13mm）为例进行计算。

管子爆破后理论蒸汽排放量计算式为：

式中：A——流道面积，mm；

p——进口处绝对压力，MPa。

将末级过热器进口集箱管口处的各参数代入式(2)得Q=25900kg/h（实际流量由于管子阻力的存在将比计算值小），由此可计算出节流圈处蒸汽流速v=597m/s，代入式（1）可得阻力系数ξ=0.00215，蒸汽可携带水滴当量直径D2=5.85m=266D1，即该处的蒸汽携带能力为连通管道内的266倍，所以管子爆破后蒸汽将节流圈处的堵塞物瞬时送至烟风系统，以致爆管后用内窥镜检查时见不到任何堵塞物。

为什么三次爆管均发生在末级过热器的第16排？其偶然性在于锅炉管路系统存在杂物，堵塞或部分堵塞了末级过热器的管路，造成了末级过热器第16排被堵管子的超温爆管。其必然性在于该锅炉的结构，一是该锅炉从屏式过热器出口集箱至末级过热器进口集箱由两根管道连接，一根从屏式过热器出口集箱的左端引出经二级减温器到末级过热器进口集箱的右端，另一根从屏式过热器出口集箱的右端引出经二级减温器到末级过热器进口集箱的左端，管径均为φ508×85mm，经计算可知，连通管内蒸汽流速约为42.7m/s，至末级过热器进口集箱的第16排管口处的蒸汽流速仅为2.75m/s。质量较小的物质可从屏式过热器出口集箱处被携带至末级过热器进口集箱，由于末级过热器进口集箱内从端部至中间蒸汽流速急剧下降，杂物极易落至末级过热器进口集箱的第16排管口处，从而使末级过热器的第16排管子易于堵塞；二是末级过热器的第16排管子位于炉膛出口的正中间（自左至右末级过热器共有32排管子），锅炉采用HT-NR3旋流燃烧器，前后墙对冲布置，炉膛中部的烟温最高，从而使末级过热器的第16排管子成为末级过热器的最薄弱环节，以致造成了2#锅炉的三次爆管事故均出现在第16排管子处。

5 预防措施及建议

通过2#锅炉爆管原因分析，笔者认为新安装大型电站锅炉应做好受热内部的清洁工作，以防止类似的锅炉爆管事故发生，建议采取以下几方面措施：

1）安装前对各类管子进行100%通球，保证畅通，防止制造过程中产生的杂物积存，堵塞受热面管子。

2）锅炉化学清洗后，应割开锅炉下部各集箱封堵，进行100%内部检查，以清除锅炉安装过程中带进管道系统的各种杂物。

3）锅炉吹管后，应割开锅炉过热器、再热器各集箱封堵，进行100%内部检查，以清除制造、安装、化学清洗过程产生的各种杂物，防止各类管子堵塞引起的爆管事故。

[1] 江宏俊.流体力学[M].陕西：西安交通大学出版社，1983.

[2] 曾丹苓,等.工程热力学[M].北京：人民教育出版社，1980.

[3] 车得福,等.锅炉[M].陕西：西安交通大学出版社,2004.

[4] 陈学俊,等.锅炉原理[M].北京：机械工业出版社，1981.

[5] GB 12242--1989.安全阀性能试验方法[S].