浅析再热器微量喷水减温器管道焊缝泄漏成因及处理

摘 要：2009年某电厂#3锅炉低再出口至至高再入口的微量喷水减温器后管道弯头焊缝出现开裂和泄漏现象。本文通过对微量喷水系统进行试验和计算，从再热蒸汽温度调节方式、管道焊接工艺等方面分析了泄漏原因，指出锅炉存在微量喷水减温器结构设计和再热蒸汽温度调节方式不合理、管道焊接工艺不佳等问题，提出相应的处理和预防措施。

关键词：再热器；微量喷水减温器；管道泄漏；原因分析；处理

中图分类号：TK22 文献标识码：A

1 锅炉设备介绍

湛江发电厂#3锅炉为东方锅炉有限公司生产的GD1025/18.2-Ⅱ型、亚临界压力参数、一次中间再热、单汽包、自然循环、单炉膛、平衡通风、尾部双烟道、固态排渣、煤粉汽包炉，再热蒸汽温度的调节以尾部挡板调节方式为主，配以事故喷水和微量喷水为辅。

2 爆管情况

2009年4月16日，某电厂运行人员发现3号锅炉右侧过热、再热蒸汽出口管处保温铝皮吹损脱落，并有泄漏声音。当时炉侧再热器减温水投入量过大，减温器出口气温过低，后利用烟气挡板进行再热蒸汽温度调节，停止再热器减温水投入，泄漏声减弱。停炉后，对3号锅炉进行现场检查，发现开裂泄漏部位为低温再热器至高温再热器右侧导气管减温器后弯头下焊口直管段，即3号锅炉微量喷水减温器右侧弯头下焊管，爆口开裂长度约550mm，只有1条裂缝，如图1（a）所示。开裂部位在弯头下焊口直管段的内坡口退刀槽处，检查发现退刀槽处没有圆滑过渡，出现高度为1～2mm的台阶，直管段内壁也出现网状裂纹（如图1（b）所示），弯头内壁有少量裂纹（如图1（c）所示），现场已打磨消除。现场保留的直管段在打磨时其内壁也发现存在网状裂纹，经打磨，其深度小于2mm。扩大检查，发现裂纹范围较大，离坡口500mm还存在网状裂纹，深度有2mm左右（如图1（d）所示）。

3 泄露原因分析

3.1 喷水减温的影响

#3炉再热蒸汽温度的调节主要依靠尾部双烟道烟气挡板，将低温再热器至高温再热器的左右导汽管道上的微量喷水减温器作为微调设备，并调节左右侧汽温偏差。另外，低温再热器进口管道上设有事故喷水减温器，由于实际运行中采用烟气挡板调节再热蒸汽温度存在滞后现象，因此也将微量喷水减温器作为再热蒸汽温度偏高时的一种重要调节设备。

再热蒸汽减温水通过给水泵中间级抽取，温度约160℃，而低温再热器出口蒸汽温度约470℃，因此在正常运行情况下，导汽管壁温度为470℃左右。由于2期工程的锅炉微量喷水减温器筒体较短，为4.182m（1期工程的锅炉微量喷水减温器筒体长度为6m），虽已改用多孔喷嘴，但当大量的减温水瞬间喷入时，从喷嘴至减温器后弯头的行程较短，减温水的雾化和混合很难达到理想状况，这样，减温器后弯头及下焊口的外弧侧受到较低温度介质的热冲击，导致该范围管道的内壁温度突然降低，产生较大的内外壁温差，并伴随较大的热应力。随着微量喷水减温器的频繁投入，不断产生和积累热疲劳损伤，继而引起热疲劳裂纹的萌生和发展。因为热应力在管壁表面是双向受拉和双向受压交替进行的，所以一般管壳部件内外壁交变温差造成的热疲劳裂纹形貌为网状或丛状。3号锅炉微量喷水减温器后弯头与直管的大部分内壁裂纹正符合这种形貌特征。

3.2 弯头焊缝处结构的影响

对割下的弯头进行宏观检查，发现开裂部位为弯头下焊口直管段的内坡口退刀槽处，退刀槽局部没有圆滑过渡，出现1～2mm高度的台阶。另外，通过观测端部形状，发现内坡口削薄段存在形状不规则、直段和斜段过渡不连续的现象，这些缺陷的存在增大了该部位的应力水平。退刀槽处还向壁厚方向凹进，减小了该处壁厚（最小壁厚约19mm），降低了该处的承载能力，同时壁厚差也造成焊口两侧部件的刚度差异较大，使连接部位的附加应力增大。

3.3 微量喷水减温器存在明显的缺陷

试验结果分析：3号锅炉微量喷水系统参数：负荷238MW，主蒸汽流量788t/h，再热蒸汽流量计算值655t/h，进口再热蒸汽压力2.81MPa，出口再热蒸汽压力2.72MPa，减温水压力8.7MPa，减温水温度163℃。A、B侧微量喷水系统分别有1个电动门和1个调节门，正常运行时电动门全开，调节门用于调节微量喷水后的蒸汽温度和出口再热蒸汽温度。微量喷水系统试验结果（见表1）表明，A侧调节门存在流量约5.4t/h的泄漏，B侧调节门无泄漏。

由表1可知，在238MW负荷下，当A侧电动门打开、调节门关闭时，表盘减温水流量为5.4t/h，减温前后蒸汽温度下降26℃；电动门打开前后出口再热蒸汽温度下降20℃。通过热平衡计算得到的减温水流量约5t/h，与表盘的减温水流量接近，表明表盘的减温水流量有一定的参考意义，减温后充分混合的蒸汽温度应为454℃，减温幅度为18℃。

从上表可以得出：a.3号锅炉A侧仅调节门的泄漏量就达到约5t/h，占主蒸汽流量的0.6%，占该侧再热蒸汽流量的1.5%，减温幅度已经达到18℃。b.减温水流量为5t/h时，减温后表盘蒸汽温度为446℃，计算混合蒸汽温度应为454℃，两者相差8℃，表明弯头前喷入的减温水与再热蒸汽未能充分均匀混合，但温度偏差不大。当A侧调节门开度小于4.8%时，减温后蒸汽温度没有明显变化；当调节门开度为5.0%时，表盘减温水流量从7.0t/h直接变为10.2t/h，减温后蒸汽温度急剧下降至300℃以下，延迟一定时间后出口再热蒸汽温度也开始下降；为防止再热蒸汽温度降低过多，在关闭调节门的过程中，调节门开度从3.4%变为3.2%时，减温水流量则从10.2t/h降至6.9t/h，减温后蒸汽温度迅速回升，延迟一定时间后再热出口蒸汽温度也回升。对B侧的调节门试验也有同样的结果，即B侧调节门开度从2.4%变为2.6%时，减温后蒸汽温度急剧下降；在关闭调节门过程中，调节门开度从1.7%变为1.5%时，减温后蒸汽温度才开始回升。

试验结论：a.当减温水流量达到约10t/h时，减温后蒸汽温度急剧下降，表明此时的减温水雾化和混合很差。减温器后的蒸汽压力约2.77MPa，蒸汽温度为270～290℃，比饱和温度（229.5℃）稍高，喷入的减温水只完成了汽化和初始过热过程，少部分减温水还没有汽化即进入弯管。经计算，流量为10t/h的减温水与温度为473℃的再热蒸汽（238MW负荷下，流量为328t/h）均匀混合后的蒸汽温度应为437℃，实际减温幅度应为36℃。在同样的管道长度下，喷水流量从7.0t/h增至10.2t/h，汽温变化如此剧烈，说明减温水雾化出现问题。割下的直管段中外弧侧和内弧侧内表面出现的氧化层说明外弧侧存在水冲击现象。b.现有的微量喷水调节门和微量喷水减温系统无法实现减温水的连续调节。试验发现，调节门开度变化0.2%即引起减温水的大幅变化，无法实现微量喷水的连续调节，这是弯头承受频繁交变应力的结果。由于调节门和喷水系统的缺陷，再热蒸汽温度要么过高，要么偏低过多，使弯头频繁交变应用，且可能存在部分水冲击。

喷水减温的有关计算：通过热平衡计算，在238MW负荷下，主蒸汽流量为788t/h，单侧再热蒸汽流量约328t/h，喷水前蒸汽温度473℃，微量喷水流量与减温幅度的关系曲线如图2所示。即要对出口蒸汽温度实现10℃以内的微调，微量喷水流量不能超过3t/h；当单侧微量喷水流量达到10t/h时（占主蒸汽流量的1.27%，占该侧再热蒸汽流量的3.0%），即使雾化和混合均非常好，减温后蒸汽温度和出口蒸汽温度的变化也将超过35℃。由于喷入一部分水后，再热蒸汽流量增加，在相同吸热量下，出口蒸汽温度下降幅度略大于减温后蒸汽温度的下降幅度。

出口蒸汽温降的关系：同样的减温水量，喷在不同位置对蒸汽温度的影响是不一样的。如图3所示，相同的减温水量，事故喷水减温器的减温幅度要小于微量喷水减温器的减温幅度，而对出口再热蒸汽温度的影响两者则接近，但事故喷水减温器的调节时间会比微量喷水减温器长，因为低温再热器进口汽温的变化引起高温再热器出口汽温变化显然比微量喷水调节需要更长的时间。

若在过热器的三级减温处喷入同样的减温水量，过热蒸汽温度的波动幅度明显比再热蒸汽的温度波动幅度小，这是因为此时的减温水量占过热蒸汽量的比例减小，同时过热蒸汽减温水压力（16.9MPa）与过热蒸汽压力（15.7MPa）之间的压差明显小于再热蒸汽减温水压力（8.7MPa）与再热蒸汽压力（2.8MPa）之间的压差，使得过热蒸汽减温水流量易于控制。

综合以上分析，导致3号锅炉微量喷水减温器右侧弯头开裂原因可归结为：（1）调节再热汽温手段不佳。3号锅炉再热蒸汽温度的调节以尾部挡板调节方式为主，但实际运行中烟气挡板调节方式有较大的滞后性，调节灵敏度差，使用不充分，增大了微量喷水流量，烟气挡板调节品质需要进一步提高。作为辅助手段的微量喷水减温器和微量喷水调节门存在缺陷，造成蒸汽温度大幅波动，使得弯头及前后直管承受交变应力。除非停用微量喷水，否则存在部分水冲击的可能。（2）检修工艺质量差。原始管段（机组安装时）的弯头下焊口直管段的内坡口退刀槽没有圆滑过渡，出现1～2mm高度的台阶，该部位为整个管系的薄弱环节，同时，没有圆滑过渡、形状不规则、直段和斜段过渡不连续等形状缺陷增大了该部位的应力水平。在微量喷水引起的交变热应力作用下，最终在最薄弱的退刀槽处产生裂纹和泄漏。（3）设备设计结构不合理。微量喷水减温器混合段较短，造成减温水没有充分汽化就流经后部弯头，弯头及下焊口因温差大而产生热应力。暴露了微量喷水减温器混合段设计不合理的问题。

设备缺陷对运行方式的影响：因3号机组高压加热器退出运行，导致过热、再热蒸汽温度偏高，过热减温水调节门基本全开，再热器侧烟气挡板不能关太小，再热器减温水量较大。暴露了3号机组高压加热器设备维护不到位问题。

4 预防措施

4.1 运行人员应严格执行运行规程的规定。3号锅炉再热蒸汽温度的调节应以烟气挡板调节方式为主，尽量少用微量喷水调节方式变化应提前做出预判，以便对再热气温设法投入尾部挡板来自动调节再热蒸汽温度，以减少微量喷水用量。

4.2 提高检修工艺。打磨消除减温器后弯头焊口处退刀槽台阶，使之圆滑过渡，（这一做法应严格要求于其他热力系统的高温高压管道中）避免热应力的集中，并加强微量减温器喷嘴、内套筒和低温再热器至高温再热器蒸汽导管的内窥和监督检查。

4.3 加强对高压加热器设备的检修和运行维护管理。确保高压加热器的正常投入，尽量保持过热、再热蒸汽温度的相对稳定。

4.4 建议改进微量喷水减温器及其管系结构。使减温水在经过弯头前能充分汽化，避免出现减温器后弯头及下焊口外弧侧与内弧侧温差过大的问题。

4.5 建议对现有的微量喷水调节门进行重新选型。通过更换新型号的微量喷水调节门，特别是使用适用高压才差的调节门来实现减温水的连续调节，减少减温器后弯头承受频繁交变应力和水冲击的发生。

参考文献

[1]麦剑，范华挺.微量喷水减温器管道泄漏原因分析和处理[J].广东电力，2011.