过热器减温器失效分析

前言近年来在中石化集团内炼油锅炉的减温器由于笛形管而引起的爆管已有很多次，此次检查济炼1锅炉的的12个联箱中，有6个减温器联箱出现了裂纹、断脱，裂纹最长处距离管孔边缘达100mm，管孔四周的母材组织出现疲劳受损。

如何处理这些存在问题的联箱，已成为我石化集团内自备电厂急需解决的问题。

第1章.减温器的作用和种类1.1减温器的作用减温器的功能是调节蒸汽温度，由于过热器管内是高温蒸汽，其传热性能差，而管外又是高温烟气因而过热器管壁温度比较高。

这就要求采用耐温性能较好的优质合金钢的管材。

运行中如果壁温长觏超过钢材的极限耐温温度，将会造成管子变形以致爆破损坏。

因此为了保证过热器的安全运行，除了从结构，布置已经正确的选用钢材外，还需装设气温调节设备，采取调节措施，以保证气温在规定的范围之内。

1.2减温器的种类减温器一般分为表面式减温器和喷水式减温器。

表面式减温器原理：蒸汽温度调节一般采用螺旋管式表面式减温器，位于高温段与低温段过热器中间，用通过进入省煤器的锅炉绐水的—部分作为冷却水的多少来控制蒸汽温度，这种表面式减温器实际就是一个热交换器。

在圆柱的筒体内，装有螺旋管。

管外为来自低温段过热器的蒸汽，管内通入冷却水。

改变冷却水量，既可调节整齐的温度，当气温高时加大冷却水量，气温低时，则减少冷却水量。

喷水式减温器原理：喷水减温器的工作原理是将冷却水直接接喷入过热器中，冷却水吸收蒸汽的热量而蒸发，因而降低过热器的温度。

根据需要调节喷入的冷却水量，即可得到相应的蒸汽温度。

在锅炉实际运行中，由于负荷变化、运行的不稳定以及其他因素，过热蒸汽的温度总在一定程度上浮动。

因此，为了保护过热器，使过热器管壁不致超温，减温器的喷水量必须随之变化，而喷水量的变化势必引起喷水管管壁温度的变化。

第2章.喷水减温器的种类及常见事故2.1 喷水减温器的种类喷水减温器多为混合式，共有5种：单喷头直套减温器，水室式文氏管套筒减温器，旋涡式喷头文氏管套筒减温器，笛形管直套减温器，环向进水式直套减温器。

我厂1炉为笛形管直套减温器。

2.2 1炉减温器特征该炉过热器系统共设置两级喷水减温器，分别布置在全大屏过热器后和高温过热器前，减温水由给水引出。

在低温级和高溆级再热器之间的导气管上设置备用喷水减温器，必要时作为细调之用。

为防止尚未汽化的减温水滴直接冲击减温器的联箱内壁，致使联箱内壁受交变应力作用而产生裂纹，该减温器内在喷水管后均设有混合管。

2.3 减温器事故特点该类减温器事故特点：笛形管破裂，减温器混合管多处发生压扁、脆裂、焊缝裂开等现象，甚至整段混合管被蒸汽冲走，造成减温器和过热器的严重故障；喷水减温器联箱内表面热电偶管座、空气管管座角焊缝裂纹，减温器接管座角焊缝裂纹。

混合管被压扁，首先使蒸汽流通截面缩小，蒸汽经过减温器的阻力增大，并引起混合管强烈振动；其次由于混合管常与其前面的文氏管渐扩段相焊，混合管压扁时，相接的焊缝因变形导致撕裂。

严重时整条环焊缝裂开，混合管被冲走，未汽化的水击中减温器联箱内壁；同时冲走的混合管堵塞了部分过热器蛇形管的进口，造成这些过热器管的超温爆管。

笛形管在运行过程中，频繁经受减温水的冷却和过热蒸汽的加热作用，发生热胀冷缩。

在喷孔部位，由于结构应力集中和孔桥强度减弱作用，导致裂纹极易产生。

裂纹经热疲劳和振动作用，逐渐扩展，断脱。

脱落小块随蒸汽一起进入汽轮机，影响汽轮机运行安全；脱落大块将被卡在后级过热器进口联箱内，堵塞管子，引起管子过热爆管。

笛形管成块脱落到一定程度后，喷管雾化功能变差，甚至直接将水喷到联箱内壁上，在热疲劳作用下引起联箱龟裂，并最终导致联箱裂穿、泄漏。

第3章.减温器内部工作状况喷水减温器的作用是通过减温水吸附过热蒸汽的热量，使减温水汽化，并与过热蒸汽混合达到降低汽温的目的。

它不仅用于调节过热器的出口汽温，而且起到均衡两侧汽温的作用。

减温器设计的任务是保证减温水在减温器内部汽化，以免水珠接触过热器联箱内壁引起热交变应力导致联箱热应力疲劳破坏。

当减温器联箱同时也是过热器分配联箱时，还要求减温器出口蒸汽温度均匀，以防止因分配联箱进入过热器的蒸汽温度不同导致下一级过热器工作条件的恶化。

减温器内部存在4个区段：第1区段，减温水加热阶段，在此区段中减温水被加热到饱和温度，不论水温高低，它的长度均为30～160 mm。

第2区段，汽流中存在大量凝结水，即减温水逐步汽化阶段，在此区段中减温器内壁及附近处于饱和温度，而其中心温度沿长度方向逐渐下降，此段长度与蒸汽重量、流速，蒸汽温度与饱和温度之差，即蒸汽过热度与减温器结构有关。

实践证明，减温器的这一部分如果没有保护套而使汽水直接接触联箱内壁，将引起联箱内壁裂纹。

第3区段，汽流中凝结水全部蒸发完毕阶段，此段减温器内壁温度高于饱和温度，但当汽流出现拐弯时，蒸汽中的水分可能甩向管壁，减温器横断面上各点温度差逐步减少。

第4区段，汽流内部热交换完成阶段，此段终了处横断面上各点汽温基本等于热平衡计算所求得的减温器出口汽温，按设计要求保护套管长度即混合管出口到喷水点的距离应大于前3个区段的长度。

第4章.减温器事故原因分析4.1 喷水管连接结构喷水管和管座连接——喷水管孔与端盖加工管段先套接后，再在装配端间隙缝处焊接固定，如图l 所示。

这种连接结构相当予带垫环的对接焊缝。

根据焊接实践经验，带垫环焊接易引起未焊透和根部裂纹等缺陷，这种焊接方式已不采用。

就其焊缝性能而言，由予12CrlMoV低含金钢在焊接过程中，焊缝及热影响区的金属经高温和冷却过程，结构的组织和改组引起变化，使金属的硬度和脆性提高，韧性和塑性降低，即疲劳强度低，决定了焊缝不宜承受冲击振动载荷和热疲劳应力。

由此可见，喷水管断裂的内部原因是喷水管和管座焊缝连接结构形式不太合理，主要表现在焊缝的焊接应力和焊接缺陷所造成的应力集中，使焊缝区的疲劳强度比母材大大降低；喷水管断裂的外界因素主要是减温器运行中变化的工质横向冲击波力和热疲势应力。

这两种应力复合作用下要求整个喷水管有足够的疲劳强度裕度。

而焊接区的疲劳强度比母材低，且承受的复合应力最大，所以喷水管的疲劳损伤首先在焊缝处发生是具有先决条件性的。

4.2 热交变应力喷水减温器内部装置对金属材料的要求，主要在于抗疲劳破坏、抗冲刷等。

众所周知，很多部件在交变热应力下工作并不发生故障，关键在于交变应力的大小、变化频率及部件本身的应力状态等。

一般认为温度变化本身引起的热应力屈服点引起塑性变形时才有可能引起疲劳破坏，也有人认为疲劳强度盯。

一O．4％％为抗拉强度。

减温器内部装置所受的压应力不大，温差10℃引起的热应力为1．5～1．7 kg／mm2，应该说承受50℃以下的温度变化而又没有其它附加应力时，是不足以引起疲劳破坏的。

套筒的壁厚对热应变存在影响：壁厚为40 mm，当温度变化速度为O．9℃／s时，可引起50℃的温差；而当壁厚6 mm中，温度变化速度要达到40℃／s，才产生50℃温差；1 s变化1次的温度交变只影响到5mm深度内的温度场，而只有1 min变化1次的温度交变才能影响40 mm深度处的温度。

目前设计的套筒厚度一般在6～8 mm，最大9 mm。

材料对热应力的影响：热应力与材料的αE/λ1一μ成正比，由于碳钢、低合金钢的导热系数大，奥氏体钢的膨胀系数口大，再考虑减温器喷管长期处在高温环境下工作，因此减温器喷管采用低合金钢比奥氏体钢好。

减温器内部装置的疲劳破坏几乎都从应力集中处开始，逐渐发展成为穿透性裂纹，特别在水室内部，由于应力疲劳及腐蚀疲劳的双重作用，很多裂纹是从水侧向汽侧发展的，当壁厚突然发生变化时，将大大恶化管壁的应力状况，在设计制造中应避免出现这种状况。

4.3 振动疲劳减温器内部装置的破坏属于振动疲劳，断口宏观呈细瓷状断面，个别情况可以看到以疲劳裂纹源为中心向前推进的前沿线。

振动是引起疲劳损坏的主要原因。

振动疲劳的基本原因是构建自身固有频率与外界激振频率成倍数关系而发生共振所致。

混合管由于其与联箱相对膨胀的需要，合理的固定结构只能是一端固定，一端允许前后移动的方式。

一些减温器采用前后移动的方式，有的采用弹簧片来限制混合管活动端上下运动，但弹簧片在高温下运行一段时间后基本失效，有一些锅炉采用活动支柱，但由于联箱内径的制造公差，实际上混合管活动端的支柱、隔板与联箱间存在间隙，起不到阻止混合管断裂以及隔板与联箱内壁相磨损造成联想内壁局部减薄的作用。

比较流体激振频率及管段的固有频率可知，混合管自振频率相当小；防止共振措施主要在于改进混合管固定结构，在蒸汽进口端使其与联箱固定，在其他部分采用螺栓结构，当螺栓之间的档距为1.5m时，混合管的自振频率可以提高到110255Hz，这将大大地提高其抗振能力。

为了防止进水管的断裂，应增加其管径。

此外有一种防止喷头断裂的改进措施是在喷头端或在喷管上加装托架，托架与喷嘴之间的间隙必须严格控制，间隙值应保证喷管在运行过程中，既能自由膨胀，又可避免共振。

4.4 热膨胀应力减温器内存在不同温度的双介质，必然引起一些部件的温差。

联箱壁的温度应该是减温器入口温度，而套管的温度小部分处于饱和温度，大部分应该为减温器出口温度。

减温器入口汽温降越大，则联箱与套筒的相对膨胀也越大。

水室的内套、外套所处的工作条件也不相同。

内套受高速汽流冲刷而产生剧烈的热交换，并且开有小孔，强度减弱，而外套则不然。

内、外套的相对膨胀受喷水温度、进汽温度及喉部汽速的影响，膨胀应力随内、外套环形截面比的变化而变化，哪一边截面小，哪一边应力就大。

笛形管处在高速汽流中，传热系数亦相当大，有人估算温差可达到100℃，即相当于壁式过热器在炉膛里受热的情况。

4.5 由于压差引起的应力减温器内部各部件包括水室、混合管内外部在压力状态下工作，但是它们不同于其它承压部件，管壁内外压差不大，这些压差引起的应力有以下几种：2 作用在隔板上的力及由此而引起的应力为防止减温器出、入口蒸汽短路，在混合器末端装有隔板，隔板两侧的压差即为减温器阻力。

此压差作用在隔板上产生推力，此值等于压差乘以隔板面积。

因此，当混合管未予很好固定时，此力足够将混合管推移至撞坏温度表套。

防止混合管移位的措施在于提高焊缝的焊接质量，而采取在隔板上增开短路孔以降低压差的办法也容易带来使减温器出口气温分布不均的副作用，开孔截面积应在隔板环形截面的10以下为宜。

3 作用在混合管上的应力作用在混合管上的压力与一般压力容器不同，其外壁压力大于内壁压力，在此种压差作用下混合管存在一个稳定性问题，就是圆筒在外力作用下有被压扁的趋势，圆筒的椭圆度愈大，圆筒壁所承受的弯曲应力也愈大。

当弯曲应力大于需用应力时，圆筒发生变形，促使圆筒椭圆度增加，最后使圆筒压扁。

4.6 运行方式与减温器入口汽温综上所述，除了套筒压扁和振动疲劳以外，其它各因素都与减温器入口汽温、水温有关，进口技术制造的减温器进口温度一般在480℃以下，喷水减温器发生故障的绝大部分是二级减温器。