大型锅炉事故及预防（长篇）

玉环 · 发表于 2007-12-3 05:02:29

四、防止受热面疲劳损坏   炉管受到周期应力或应变的作用，导致疲劳裂纹的发生、发展而缩短其使用寿命，称为疲劳损坏。分为：振动疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳及低周热疲劳。损坏时间决定于应力交变辐度，交变次数、应力集中程度与腐蚀介质种类。   （一）振动疲劳损坏   锅炉承压部件由于振动引起疲劳损伤事例并不多。机械疲劳破坏，其断口往往有明显的疲劳纹，裂纹由外表向内发展，断口表面呈细瓷状。锅炉喷水减温器喷头、喷管及温度表库通常处于一端固定，一端自由的悬壁状态，当汽流激振频率与自身固有频率相同时发生共振，就有可能导致振动破坏。锅炉转向室吊挂管在烟流“卡门旋涡”作用下也可能发生振动疲劳损坏。   在锅炉设计时加以考虑或事后加装隔板或连杆改变自振频率，是防止此类损坏的根本措施。检修中加强检查及时发现疲劳裂纹有利于早期处理。管件焊接避免咬边、实施圆滑过渡降低应力集中也是防止振动疲劳损坏的有力措施。   （二）热疲劳损坏   锅炉受压部件表面急剧冷却、加热，经受热冲击，当应力辐度及交变次数足够时，便出现网状、放射状或鳄鱼皮状裂纹。锅炉汽包省煤器再循环管孔附近的裂纹（见图4-3-9）、安全阀管座附近、疏水管管座等处，往往容易出现两种温度不同的汽水介质，从而构成壁面温度交变的条件，是锅炉承压部件发生热疲劳损坏的区域。   据西德TUV报道，中间再热机组的快速减温减压装置所用高压旁路阀体内壁在阀门开启之际，温度变化速度最大可达4℃/S，在1～2min内个别的温度可从240℃升到450℃，加以不可避免的存在铸造缺陷，从面使相当多的一部分阀体出现热疲劳裂纹。   防止热疲劳裂纹的措施与出现温度交变的原因有关。对于省煤器再循环管孔的裂纹，我国与前苏联锅炉监察规程已规定，再循环管、给水管、减温水管、加热管、加药管等管座要采用带保护套管的管接头，以免冷热交变引起汽包、联箱壁的热疲劳。对于较长安全阀入口管段内冷凝水引起的温度交变，则采用接入小管，使该管段不流动的死汽流动的措施。禁止或避免疏水反向流入高温主汽及再热汽联箱，避免减温水直接喷溅到联箱壁等。这些运行或设备改进措施都有利用预防热疲劳损坏。   （三）低周疲劳损坏   锅炉承压部件低疲劳损坏也是一种热疲劳，一般指承压部件因热膨胀受阻局部热应力随锅炉启停或参数变化而引起的疲劳损坏。因其应力变化辐度大，局部应力有可能达到屈服极限，因而在数百次或数千次交变之后便可能发生低周疲劳破坏。当然对锅炉汽包，厚壁联箱内压应力随锅炉启停也发生交变，也可能出现低周疲劳损坏，但此类事故发生频率不高。   原则上，锅炉元部件只要存在温差，或各相连元部件之间的膨胀死点不同，或相连部件的膨胀系数不同都将出现热应力。问题是热应力的大小，能否导致局部屈服。例如锅炉受热管的穿墙部分，由于组成墙壁的管排（如顶棚管）与蛇形管之间的温差，冷态与运行状态下联箱与管排的相对位置有差异，当蛇形管挠度不够时，联箱管座将因这种热应力而发生低周疲劳损坏。一台WGZ400/100炉顶棚管与前悬吊管上联箱之间的高差只有500mm，计算表明，锅炉启停时，管座的根部应力达到300MPa，因而在一段时间后发生损坏，将联箱分段，并将中间段箱抬高增加挠度后，就解决了问题。   风箱、燃烧器、人孔门框架与水冷壁连接处角焊缝一般都存在温差应力，管子管卡、管道支吊架部位虽然无较大的热应力，但管子、管道的热膨胀变形也影响这些管件的受力状况。事实上，一些频繁启停的锅炉已发生过这些部件的损坏事件。日本《火力及原子力发电》杂志1989年第10期报道了日本各制造厂为提高调峰锅炉可靠性所采取的措施，有一定的参考价值（见图4-3-10）。

玉环 · 发表于 2007-12-3 05:03:07

五、防止人员责任引起的承压部件损坏   锅炉制造、安装、维修、运行不当均可使锅炉承压部件过早损坏。 错用钢材，焊接缺陷。杂物遗留管内等制造、安装质量问题曾严重影响锅炉可靠运行，锅炉汽包集中下降管管座裂纹曾导致多台锅炉汽包挖补修理。至今汽包炉省煤器联箱管座角焊缝、直流炉水冷壁联箱管座角焊缝、超临界锅炉水冷壁鳍片管对接焊缝的焊接缺陷仍是新炉故障的重要原因。   运行锅炉燃烧控制不当、汽水流量控制失灵（例如汽包炉的缺水、直流炉煤水比调节失当）、过量使用减温水特别是低负荷使用喷水减温等等也是某些事故的原因，见图4-3-11。正确编订规程并严格执行规章制度，提高自动控制与保护装置的水平是预防此类事故的对策。 第六节  锅炉受热面腐蚀及预防    一、水冷壁管的垢下腐蚀的预防   二、水冷壁管氢损坏的预防   三、水冷壁向火侧腐蚀及其预防   四、低温腐蚀   锅炉受热面腐蚀减薄损坏，因涉及范围较大，一旦暴露，常导致重复爆漏停炉，而且修复工作量大，因此预防及保护设备不受腐蚀是提高机组可用率必须解决的基本任务之一。   汽、水侧腐蚀按其机理分，包括苛性腐蚀、氢损害、氧腐蚀、垢下腐蚀及应力腐蚀。   烟气侧腐蚀包括水冷壁向火侧腐蚀、高温煤灰（油灰）腐蚀和低温腐蚀。   国内电厂曾因垢下腐蚀，水冷壁氢损坏及向火侧腐蚀，导致大面积换管。曾有一台锅炉由于斜顶棚内的下降管外壁腐蚀爆破造成一死六伤的重大人身事故。国外一些超临界机组曾发生因过热器管内壁氧化皮脱落，被蒸汽带入汽机而引起喷嘴、叶片的固体硬粒侵蚀。   一、水冷壁管的垢下腐蚀的预防   水冷壁管垢下腐蚀是以紧贴管壁的垢下管壁为阳极，外围表面为阴极所构成的局部电池作用引起的电化学损害，严重时可导致鼓包或腐蚀穿孔。   一台670t/h炉在半年内先后停炉6次处理水冷壁管鼓包、穿孔。在喷燃器中心线部位换管139根、挖补167处。主要原因是凝汽器铜管泄漏，给水硬度长期严重超标（标准是2Epb，最大竞达392Epb，超标时间占运行时间25％左右），其次是停炉保养效果不好；基建酸洗质量不好；与给水含铁量超标；分析认为采用Na3PO4炉内处理时大量向炉内加入Na3PO4调节炉水的pH值也不够妥当等。   当前防止垢下腐蚀最主要的防范措施是解决凝汽器泄漏后给水硬度超标问题；要加强给水含铁量的检测与控制；对已结垢的水冷壁进行化学清洗。总之，要加强化学监督工作。   对于超临界直流炉由于给水水质纯度较高组必须采用挥发性处理。所以美国通常采用氨－联氨方式，而德国和前苏联推荐采用氨－氧处理和中性水加氧的方式。前苏联试验肯定了中性水加氧的方式，认为可以大大降低炉管垢量。我们推荐采用加氧处理方式。当然，采用何种方式还与汽水系统中管道、阀门所用的材料有关，需综合考虑。   二、水冷壁管氢损坏的预防   水冷壁管氢损坏原因是受热面内壁结垢，加以炉水处于低pH值状态。当时入凝结水系统的酸性盐类在水冷壁管垢下浓缩，氢原子进入管壁金属组织中与碳化铁作用生成甲烷，使钢材晶间强度下降。发生氢损害时，管壁几乎没有明显减薄，有时发生“开窗式”破裂。所以一般的超声探伤技术难以发现发生氢损害使金属变脆的位置，使故障处理复杂化。   例如，一台1100t/h强制循环汽包炉投产不到一年，运行只有2110h，水冷壁19.5m处向火侧应发生“开窗式”脆性爆破。事故主要原因是凝汽器铜管泄漏，除氧器长期运行不正常，凝结水处理设备不能投用，以致给水、炉水的O2、Fe、pH和电导率等指标严重超标。经查共需换管2900m，重17t。迫使该机组停产3个月，并重新酸洗。   鉴于一些火电厂热力设备腐蚀、结垢严重，甚至导致有些锅炉频繁爆管的情况，中电联1992年举办了研讨班，整理出一本《火电厂化学监督及水处理技术资料选编》，提出了加强化学监督，特别是从基建到生产全过程执行部颁规程的意见十分重要。   已投产电厂一旦发生管壁很少减薄的脆性破坏，宜割管检查，通过多相或宏观侵蚀试验，判断是否是氢损坏。若经确认是氢脆损坏，则其对策是化学清洗并更换已发生材料强度下降或管壁减薄的管子。   由于氢损坏是属于垢下发生的二次腐蚀，所以防范措施应补充：①严格控制锅水质量，不使管内壁腐蚀结垢；②发现腐蚀时要采取措施清洗管壁防止结垢；③防止凝汽器管泄漏，特别要控制锅炉水中酸性盐类，如Mgcl2等盐类存在；④监测饱和蒸汽中含氢量。

玉环 · 发表于 2007-12-3 05:04:09

三、水冷壁向火侧腐蚀及其预防   水冷壁向火侧腐蚀是指水冷壁外壁在还原性气氛中，挥发性硫、氯化物及熔融灰渣作用下，使管壁减薄引起的故障（见图4-3-12）。   水冷壁向火侧腐蚀不可能发生在燃烧区域的氧化气氛中。一氧化碳，包括未燃烧的煤粒冲刷管壁，在硫酸盐和氨氯化物（英国煤有一些煤氯含量超过0.6％）的作用下加速腐蚀，导致管壁减薄，当其腐蚀速度超过25μm/103h时，表示已有明显腐蚀。此外低熔点的钠、磷的 焦硫酸盐甩落在水冷壁管外表，能熔掉管外表的氢化铁保护层，也使金属受到腐蚀。超临界压力锅炉因其布置特点及壁温相对较高，容易发生圆周方向的沟槽或裂纹。   由于水冷壁向火侧腐蚀涉及燃烧器区域附近一批管子的安全问题，严重时1～2万小时就要更换一批水冷壁管，所以应予以重视。   预防水冷壁向火侧腐蚀的措施是：①控制喷燃器喷射角度与烟气氧量，避免未燃煤粉与还原性气体冲刷水冷壁；②采用渗铝管或火焰喷涂的方法提高水冷壁管的抗腐蚀能力；③在降低烟气含氧量采用低氧燃烧或为降低NOX而采用二次燃烧法时，要注意可能出现的向火侧腐蚀。   四、低温腐蚀   低温腐蚀是烟气中的硫酸、亚硫酸在低于露点的受热面上凝结，使受热面腐蚀的一种现象。   煤、油含硫量高、壁面温度低是产生低温腐蚀的主要原因，大容量电站锅炉低温腐蚀主要发生在空气预热器。一般情况下，空气预热器低温腐蚀并不构成事故，但影响机组的长期安全可靠运行，增加检修工作量，并降低锅炉经济性。个别情况下，由于不均匀的堵灰、腐蚀，使烟、风压随回转式空气预热器的旋转而周期性变化，当影响燃烧稳定及自动控制质量时，可能成为锅炉强迫停用的因素之一。   采用低硫煤、炉内脱硫等措施有利于防止低温腐蚀；采用耐腐蚀材料、改变传热元件型线，采用玻璃管预热器、热管式空气预热器，加装暖风器等都是防止低温腐蚀的措施。 第七节  发电厂锅炉安全监察（监督）的作用    一、实行全过程安全（质量）监督   二、开展状态分析、提高设备可靠性   三、建立三道防线，杜绝重大、特大事故发生   四、搞好事故分析，防止重复性事故发生   部总结电力生产安全工作的经验教训，于1995年11月颁发了《电力生产安全工作规定》，规定明确提出了安全保证体系与安全监察体系的关系；明确了安全监察人员的职责与职权，提出“安全第一、预防为主”的方针以及坚持“保人身、保电网、保设备”的原则。   作为火电发电厂的主要设备，锅炉机组显然是发电厂安全监察的重要设备。而且由于锅炉压力容器是具有爆炸危险的设备，故世界各国都十分重视它的安全问题，设立国家监督机构或授权技术权威机构，实行强制性安全管理。   一、实行全过程安全（质量）监督   参照国际上通用的办法，国务院于1982年2月颁发了《锅炉压力容器安全监察暂行条例》，条例规定从事锅炉压力容器设计、制造、安装、检验的单位必须经资格审查，具备合格证书。使用锅炉压力容器的单位必须向有关部门申请使用登记，并接受定期检验。锅炉的设计、制造、安装、改造必须符合电力部颁发的《电力工业锅炉监察规程》的规定（或满足制造国法定制造标准）。这些规定、标准主要规定了锅炉承压部件制造阶段应遵循的人员资格、材料使用、结构强度、工艺标准及检验要求。对于电站锅炉的制造厂具备这些要求并不难，取得资格证书也基本没有问题。但总结国内一些电站锅炉发生的问题，诸如炉膛热负荷过高，受热面布置不匹配，使汽温控制困难，省煤器磨损过快、直流炉水动力不稳，锅炉辅助设备配套不良等重大设计、制造质量问题，使我们不得不重视从设计开始的全过程安全（质量）管理、监督与检验。   （1）设计阶段。在电厂筹建初期或扩建初期，诸多内外条件错综复杂，在进行、质量、投资诸因素中要把握大型锅炉投产后的运行质量，责任无疑落实到决策与参谋层中从事锅炉专业的工程技术人员身上。前水电部与电力部先后制订了《锅炉谈判导则》，由于它总结了国内电站锅炉设计方面的经验教训与国外一些设计咨询公司的经验，因此至今仍应遵循并作为决策的主要依据。炉型、燃烧器布置方式、再热器调温方式、炉膛各热负荷强度指标、过热器再热器高温段金属材料的等级、控制水平及其与所用燃料的关系等问题历来都是设计阶段讨论研究的重点。对于燃用难燃、易结焦、高硫煤种的电力，在设计中考虑上述性能要求时，要特别慎重。   当前比较普遍的问题，是对国际标准配套性的认识不够重视。众所周知，各国标准是根据该国国情制订的。历史基本形成了以美国为代表的和以德国为代表的两套系统。我国以前基本套用前苏联ГOCT标准，现在又引进美国ASME标准（前苏联标准和美国标准也都在不断修改之中）。二者在强度理论、工艺要求、检验内容、安全系数等基本要求方面存在着差异。因此比较妥当和慎重的做法是按某系列来套用标准，而不断章取义，以偏盖全。当必须互相借用时，要先弄清各系统标准的原理，以免发生错误。   （2）制造安装阶段。锅炉要消耗几千吨钢材，并具有数万个焊口，因此对锅炉制造安装质量的检验与判断是一个庞大的系统工程。其责任应落实到质检站、锅炉监察工程师及检验员的身上。监督、控制质量保证体系的正常运转及工序中关键点的检验，是当前推行的ISO9000系列及“文件包”作法的主要思想。若前期失控，木以成舟再讲质量谈何容易。焊接工艺，焊缝检验，管内（汽水、油、气管）清洁，酸洗与吹管，膨胀间隙，转动机械的基础与动静平衡，电缆防火隔断以及阀门严密性等是历来受到重视的质量（安全）问题，应予以坚持。   在采用全密封炉体，锅炉设膨胀中心以后，应特别重视锅炉承重问题以及锅炉本体及其附件的焊接质量。按膨胀中心的设计意图，焊与不焊，应该怎么焊，都应按设计要求施工。一处失误，膨胀不畅可能造成巨大的残余应力或不必要的变形。   （3）调试阶段。调试阶段是从基建到生产的过渡阶段，这一阶段是设计，制造阶段质量的整体验收与考验时期，也是建立正常生产指挥、操作制度的重要阶段，许多重大设备损坏和人身事故往往发生或起源于这一阶段。理想的调试工作的标志是：①不发生设备损坏。如炉膛放炮、尾部受热面烧损，受热面变形，转动机械烧瓦、动静部分摩耗等；②锅炉受热面内外清洁，汽水品质合格，不留后患；③通过必要的变工况运行，掌握机组动态、静态性能，主要自动与保护装置能够可靠投运；④为修编《发电厂锅炉运行与事故处理规程》（临时使用稿）提供全面的依据；⑤能暴露锅炉设计、配套、制造工作中存在的问题，并为正确地评价锅炉机组的质量打下基础。   调试工作顺利与否除了与设计、制造质量有关外，科学的工作程序及严格的分部试运至关重要。消防水系统不健全往往是火灾的原因，而吹灰系统缺陷的忽视往往使蒸汽参数失调，使燃烧工况恶化而酿成大错。无数教训早已证明侥幸闯关最后还是过不了关。   发电厂锅炉安全的全过程管理，在调试阶段是从质量向安全转变的阶段。要研究可行的措施，要培养、训练运行人员，组织他们作好防止设备严重损坏的措施，同时必须全面及时地收集设备故障信息，为制订反事故措施提供依据。现代发电锅炉配备了一系列保护装置，这些装置有力地避免了许多设备损坏事故，但装置的动作参数的确定以及避免误动的问题也同样重要。由于一台锅炉的一次启停意味着一定的寿命消耗和数以万元计的启停热损失。所以迅速掌握与控制保护正确动作并防止误动，降低非计划停运次数，是当前锅炉调试工作的重要任务。

玉环 · 发表于 2007-12-3 05:04:47

二、开展状态分析、提高设备可靠性   锅炉机组正式投运后的安全管理涉及安全保证体系，与安全监察、督工作，与运行管理，缺陷管理与技术监督等工作有关。随着计算机管理系统的应用，我们已可能应用专家系统，集有经验的工程技术人员的经验，处理大量的信息，从而可以防止意外、减少非计划停运。   但与此同时，现场实际情况的正确收集与反映也十分重要。一方面计算机系统不可能拥有全部运行信息与检查信息；另一方面没有正确的信息也不可能推断出正确的结论。日本东京电力公司的安全专家在总结日本应用计算机以后的经验教训说：“人们往往习惯于坐在计算机面前分析，而忽视现场的情况。事实证明只有经常了解现场的人能够提出最切实可行的措施来处理异常。”   此外广泛了解国内外锅炉事故情况，特别是与自己所管辖的设备同类锅炉的事故情况，补充完善专家系统也同样重要。因为专家系统本身来源于以往的经验教训。每一案例都会有它独特的教训，都有可能修改完善专家系统。因此必须注意收集，以提高工作水平与判断是非的能力，作好“预防”工作。   三、建立三道防线，杜绝重大、特大事故发生   锅炉机组的事故预防与其他设备一样，要建立三道防线，即：不出事故，不扩大事故以及不发生重大、特大人身设备事故。   安全阀，防爆门以及炉管泄漏监测系统、炉膛安全监控系统等都是防止事故扩大的措施。减灾对策、应急方案可以说是防止发生重大、特大事故的措施。吸风机叶片积灰引起振动构成异常或故障；带病运行导致飞车可能发生严重后果；炉膛灭火跳机构成故障，但是如不及时中断燃料继续入炉而发生爆炸、甚至锅炉倒塌，将构成重大、特大事故。我们要避免事故、提高设备可用率，但更应注意防止人身、设备重大事故。作为发电厂安监人员必须重视三道防线的建立，监督、检查避免事故扩大及发生重大设备、人身事故措施的制订与落实。   四、搞好事故分析，防止重复性事故发生   “安全第一、预防为主”，安全工作的重点在于预防。发生了事故，分析原因、责任，目的还是为了预防。   目前，国内发电厂采取并行进行安全统计与可靠性统计的做法。设备可靠性统计指标，可以提供一段时间范围内设备健康水平的综合情况，也是对设计、制造与发电厂管理工作的评价。安全统计的特点着重于每一事件的描述，重点是分析事故原因及对策，即针对事故研究对策。二者相辅相成。   现代电站锅炉普遍配备了事故追记装置，使安全工作者的分析有了更确切的，更客观的依据，但以预防为目的工作内容没有改变。   发电厂是一个技术密集型的工业企业，只有各专业，各部门密切配合，才能达到整体安全稳定的目的。出了事同样需要各方面吸取教训，共同努力。安全监察从事事故调查可以弥补一个部门及个别人吸取教训的片面性，避免只管抢修不问原因的弊病，使人们重视举一反三进行预防，还有利于规章制度，特别是责任制的落实。而责任制是现代化工业企业劳动管理的基础，淡化事故调查分析，对事故责任不予追究，不是优秀的企业管理。以事实为依据，以规程、制度为标准确定是非与责任，调查分析事故从而推动规章制度不断完善，设备整治工作和人员素质的不断提高，最终达到防止事故重复发生是事故调查分析的目的。

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