國(guó)內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐經(jīng)歷了容量從小到大、參數(shù)由低到高的發(fā)展歷程，在循環(huán)流化床鍋爐的出力和參數(shù)跳躍性發(fā)展時(shí)，引進(jìn)技術(shù)已經(jīng)不能支撐超大型、超高參數(shù)的發(fā)展，很多結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。鍋爐達(dá)到超大型和超高參數(shù)后，尤其660MW等級(jí)高效超超臨界的主蒸汽和主再熱蒸汽溫度達(dá)到605℃和623℃,會(huì)對(duì)管屏帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)技術(shù)需要更新。

問(wèn)題描述

循環(huán)流化床鍋爐采用循環(huán)燃燒，煤進(jìn)入爐膛后經(jīng)過(guò)高溫物料加熱，與供入爐膛內(nèi)的空氣混合燃燒，在鍋爐達(dá)到高負(fù)荷下，流化速度提升，整個(gè)爐膛溫度趨于均勻，均為高溫區(qū)，高溫?zé)煔膺M(jìn)入尾部煙道后溫度逐漸降低，所以循環(huán)流化床鍋爐的溫度最高點(diǎn)是整個(gè)爐膛。隨著鍋爐負(fù)荷降低，沿著爐膛高度方向上溫度逐漸降低，煙氣和工質(zhì)側(cè)溫差逐漸減小，到了尾部煙道溫差更小。超臨界主蒸汽溫度達(dá)到571℃,超超臨界主蒸汽溫度達(dá)到605℃,再熱蒸汽溫度達(dá)到623℃,且爐膛高度更高，煙氣和工質(zhì)側(cè)的溫差進(jìn)一步縮減，低負(fù)荷工質(zhì)側(cè)溫度更難以保證。為了保證低負(fù)荷主蒸汽和再熱蒸汽溫度，高參數(shù)鍋爐的高溫過(guò)熱器和高溫再熱器均布置在爐膛內(nèi)部。

爐內(nèi)布置的高溫管屏一般為末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器，管屏為L(zhǎng)型布置，屏底采用散管，屏底橫向穿出水冷壁前墻。為防止?fàn)t內(nèi)循環(huán)物料對(duì)橫向管束的沖刷，在高溫管屏底部散管上打銷(xiāo)釘，并敷設(shè)耐磨耐火材料。在鍋爐處于300MW的亞臨界等級(jí)以下時(shí)，散管材質(zhì)為12Cr1MoVG等合金鋼材質(zhì)，此處銷(xiāo)釘管出現(xiàn)問(wèn)題的情況很少。循環(huán)流化床鍋爐出力達(dá)到350MW以上，參數(shù)達(dá)到超臨界以上，此時(shí)散管材質(zhì)提升到不銹鋼，管屏尺寸進(jìn)一步加大，在鍋爐高負(fù)荷時(shí)候出現(xiàn)屏底耐磨耐火材料開(kāi)裂和脫落。耐磨耐火材料脫落后，循環(huán)物料開(kāi)始直接接觸受熱面管子，對(duì)橫向管子的沖刷磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)造成爆管停爐的事故。

原因分析

國(guó)內(nèi)超臨界和超超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)均為自主開(kāi)發(fā)，主要技術(shù)和部件均為全新開(kāi)發(fā)，高溫管屏對(duì)工作條件的要求較低參數(shù)鍋爐更為嚴(yán)格。屏底耐磨耐火材料出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因來(lái)自高等級(jí)材質(zhì)和耐磨耐火材料的膨脹差、超大管屏結(jié)構(gòu)、局部應(yīng)力集中等方面的問(wèn)題引起。

1)銷(xiāo)釘管和耐磨耐火材料膨脹差大：鍋爐參數(shù)達(dá)到超臨界時(shí)主蒸汽溫度達(dá)到570℃,超超臨界主蒸汽溫度達(dá)到605℃和623℃,遠(yuǎn)高于亞臨界及以下參數(shù)。在如此高溫下，為了防止超溫和干燒等問(wèn)題，末級(jí)高溫過(guò)熱器和高溫再熱器管屏的銷(xiāo)釘管均采用不銹鋼材質(zhì)的銷(xiāo)釘管。入口溫度過(guò)高，銷(xiāo)釘管區(qū)域的管子膨脹量增加。相同溫度下的線膨脹系數(shù)，不銹鋼是12Cr1MoVG的1.8倍，超(超)臨界參數(shù)的管屏入口溫度更高，使管屏的膨脹量增加到常規(guī)爐型的兩倍以上。超(超)臨界參數(shù)的CFB鍋爐其鍋爐容量達(dá)到350MW和660MW及以上，受熱面尺寸也相應(yīng)增加，高溫管屏寬度增加，管子受熱面后膨脹量進(jìn)一步加大。在以上因素疊加的情況下，超(超)臨界參數(shù)CFB鍋爐的管屏銷(xiāo)釘管區(qū)域的膨脹率增加，且隨著水平方向的走向逐步遞增。橫向走向的銷(xiāo)釘管外部敷設(shè)耐磨耐火澆注料，其硬度高剛性強(qiáng)，但線膨脹系數(shù)小，在受熱時(shí)其膨脹量很小，直接導(dǎo)致不銹鋼管與耐磨耐火材料出現(xiàn)了較大的膨脹差，在耐磨耐火材料表面出現(xiàn)裂紋，且離水冷壁穿墻越遠(yuǎn)裂紋越多。

2)銷(xiāo)釘管受熱不均：高溫過(guò)熱器管屏存在同屏管子之間熱負(fù)荷偏差分布不均的情況，如不采取措施會(huì)出現(xiàn)同屏管子之間出口工質(zhì)溫度偏差的問(wèn)題。為了調(diào)整同屏偏差，可能采用在銷(xiāo)釘管區(qū)域采用不同管徑的措施來(lái)匹配工質(zhì)流量和熱負(fù)荷，達(dá)到縮減工質(zhì)溫度偏差的目的。最外圈的管子因其熱負(fù)荷最高、長(zhǎng)度最長(zhǎng)，是最需要減小阻力的管子，通常銷(xiāo)釘管區(qū)域的最外圈管子要比其他銷(xiāo)釘管更粗。在給管屏敷設(shè)相同厚度的耐磨耐火材料時(shí)，在外圈管子的耐磨耐火材料更薄，熱阻變小使其壁溫比其他管子高，同時(shí)最外圈管子的受熱周長(zhǎng)比其他管子大，所以最外圈管子的受熱更強(qiáng)，其軸向和徑向的膨脹量均比其他管子更大，更容易出現(xiàn)耐磨耐火材料裂紋和脫落的情況。

3)屏底直角拐點(diǎn)應(yīng)力集中：傳統(tǒng)的高溫過(guò)熱器和高溫再熱器為L(zhǎng)型管屏，屏底拐角位置采用90°彎頭。管屏穿墻位置為一個(gè)支點(diǎn)，管屏受到擠壓和拉伸時(shí)，以水平管段為力臂，在直角拐點(diǎn)處形成應(yīng)力集中點(diǎn)，其受力時(shí)會(huì)把拐角位置澆注料拉裂或擠壓破裂。

解決措施

解決措施的關(guān)鍵在于解決銷(xiāo)釘管和耐磨耐火材料的整體膨脹差在局部形成集中的大片脫落或較大裂紋，防止應(yīng)力集中產(chǎn)生膨脹差造成部分耐磨耐火材料脫落。

1)合理選擇銷(xiāo)釘管材料：因不銹鋼的線膨脹系數(shù)大，所以建議把銷(xiāo)釘管材質(zhì)改為T(mén)91材質(zhì)，其中徑抗氧化溫度能達(dá)到630℃,在銷(xiāo)釘管區(qū)域敷設(shè)澆注料的情況下，其壁溫增量小，完全可以滿足要求。銷(xiāo)釘管材質(zhì)改為T(mén)91后，其膨脹量?jī)H為不銹鋼的55%,極大的改善了銷(xiāo)釘管與不銹鋼的膨脹差問(wèn)題，減小了因膨脹使耐磨耐火材料脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

2)耐磨耐火材料差異化設(shè)計(jì)：因調(diào)整壁溫偏差的需要，最外圈銷(xiāo)釘管必須加粗時(shí)，外圈管的耐磨耐火材料采用差異化設(shè)計(jì)，進(jìn)行加厚處理，耐磨耐火材料采用水滴形設(shè)計(jì)，達(dá)到增大熱阻的效果，降低壁溫，同時(shí)耐磨耐火材料厚度增加，其剛性也會(huì)增加。

3)改良耐磨耐火材料固定方式：常規(guī)耐磨耐火材料固定方式為銷(xiāo)釘固定，在管子出現(xiàn)膨脹時(shí)，拉裂澆注料出現(xiàn)脫落?？刹捎娩N(xiāo)釘管和龜甲網(wǎng)結(jié)合的形式，在銷(xiāo)釘管和管子外表面涂抹瀝青，管子外表面鋪上龜甲網(wǎng)，龜甲網(wǎng)與部分銷(xiāo)釘點(diǎn)焊連接，再敷設(shè)耐磨耐火材料。在鍋爐運(yùn)行后，瀝青在高溫下分解，在管子、銷(xiāo)釘和耐磨耐火材料之間留下縫隙，可吸收部分膨脹。在耐磨耐火材料出現(xiàn)裂紋時(shí)，因龜甲網(wǎng)的存在，耐磨耐火材料不會(huì)脫落，仍能保證對(duì)管子的防磨效果。另外，可在耐磨耐火材料上預(yù)開(kāi)幾道膨脹縫，防止耐磨耐火材料出現(xiàn)不規(guī)則的裂紋。

4)優(yōu)化屏底結(jié)構(gòu)：為消除傳統(tǒng)屏底拐角的應(yīng)力集中問(wèn)題，可將屏底由一個(gè)90°拐角改為兩個(gè)水平45°的拐角。縮短水平管的力臂，同時(shí)兩個(gè)拐角同時(shí)吸收應(yīng)力，避免了應(yīng)力集中使一個(gè)點(diǎn)受力過(guò)大。

總 結(jié)

循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)入350MW和660MW超(超)臨界參數(shù)以后，因工質(zhì)溫度升高、材料等級(jí)提升和結(jié)構(gòu)等原因，高溫過(guò)熱器和再熱器管屏底部存在耐磨耐火材料碎裂和脫落的風(fēng)險(xiǎn)。采取材質(zhì)改進(jìn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和耐磨耐火材料等針對(duì)性改進(jìn)后，耐磨耐火材料破碎和脫落的問(wèn)題得到了解決，保證了鍋爐可靠性和安全性。