简析高压加热器的泄漏失效

徐庆磊，顾琼彦

(1.上海电气集团股份有限公司，上海，201199；2.上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海，200090)

0 概 述

高压加热器(简称高加)是回热系统中的核心设备，利用了汽轮机抽汽加热锅炉给水，以提高机组的热效率，高压加热器的投入率是机组经济效率的一项重要指标[1]。随着火力发电机组向大容量、高参数发展，高加承受的给水压力及温度也在大幅度地提高，因此，对设备运行的可靠性提出了更高的要求。高加一旦发生事故，不仅会损坏设备本身、影响机组效率，还会波及设备周围的设施和人身财产安全。对于高加的失效问题，应认真对待妥善处理，提高设计及制造质量，加强运行管理水平，才是避免事故发生的有效途径。

1 高加泄漏与失效

失效，即是在规定的时间内，设备因尺寸、形状或材料性能变化，从而危及了安全或丧失了设备的运行性能。目前，在国内机组中，使用最为广泛的高加是管壳式换热器。最常见、且影响比重最为突出的高加失效形式，即为高加换热管的泄漏失效[2]。高加换热管的泄漏失效，具有形式多样、原因复杂、危害大、难处理等特点，因此，应引起足够的重视。准确判定泄漏位置、及时处置和寻找泄漏原因，才能避免更大的损失。

失效分析的应用领域较为广泛，实用性强。利用各种高科技手段，开展失效分析工作的目的，不仅在于查明事故原因、界定事故责任，更为重要的意义是找出导致失效的诱因，纠正既有的错误，并为提升后续产品的设计水平和制造质量，提供理论与实验方面的依据。失效分析的基本流程，如图1所示。

图1 失效分析的基本流程

因高加泄漏失效属于突发性事故，所以，在现场勘察及资料收集工作的重要性不可低估。在实施失效分析时，应本着真实客观的态度，尽可能地收集和甄别各种信息，尤其需查验高加管板端面上的漏点及泄漏处的深度，如实记录漏点信息，准确定位高加内部的泄漏位置，有助于后期的失效分析，从而找出泄漏失效的原因。

2 高加泄漏失效的机理

一旦高加发生泄漏失效，及时判断高加的泄漏点尤为重要。若处置得当，不但可以避免次生危害，还可以有效的保证高加的使用寿命[3]。若忽视高加的泄漏问题而继续运行，可能将损坏初始泄漏点周围的换热管，造成更严重的事故。忽视高加长时间泄漏从而造成的危害和后果，如表1所示。

表1忽视泄漏造成的危害和后果

序号发生泄漏后的状态忽视泄漏的后果1高压水冲刷周围管束。增加受损换热管的数量,加剧泄漏。2高加壳侧水位急剧增高,疏水无法排出。高加满水,淹没进汽口,汽水可能灌入汽轮机。3高加长时间泄漏后,直至高加解列。增加汽轮机末几级的蒸汽流量,增大各级叶片的轴向推力、加剧叶片腐蚀,使汽轮机的功率受限。4高加长时间泄漏后,高加被解列。锅炉壁温超过极限值,影响机组运行安全。5高加解列后,高加系统的给水出口温度降低。为维持负荷需增加燃煤量及风机出力,增加了煤耗。同时,增加了机组热耗率和厂用电量

机组运行时，应密切关注高加的运行状态，注意疏水调节阀的开度是否变大，并确认换热管是否发生了泄漏。高加换热管泄漏失效的特征，如表2所示。

表2高加泄漏失效的特征

序号高加换热管泄漏的特征参数及运行状态1水位波动异常,水位高信号报警。/2下端差远高于正常值,疏水调节阀的开度增大。正常高加下端差[4] 一般不大于11°。3事故疏水阀开度增大、全开,有水冲刷的泄漏声。/4给水温度降低,给水泵转速增加,给水流量增大。给水漏至壳侧、疏水至除氧器。

众多研究成果表明，高加泄漏失效的变化率，也有规律可循，变化率的转变曲线，即为通常所说的浴盆曲线，如图2所示。根据相关理论和曲线变化的特点，高加泄漏失效率随时间变化所呈现的失效期，可分为早期失效期、偶发失效期及损耗失效期。

图2 高加泄漏失效的浴盆曲线

针对高加失效的期限进行分析，早期的失效期也可称为磨合期，主要是指高加设备投运之初与机组其他设备配合的过渡期。磨合期的特点，是失效率先高后低，降低的趋势很明显。在磨合期内产生失效的主要原因，均为操作不当，或者是产品在设计及制造过程中存在缺陷。

处于偶发失效期内的设备，失效率较为稳定，失效率的水平低，发生失效的时间节点是随机的。在偶发期内的失效原因，主要是维护保养不当，或是运行管理不到位所造成的。通过改进运行管理、重视保养维护，均可降低偶发期内的失效率。

耗损失效期是指高加进入使用寿命的后期，由于疲劳、腐蚀、冲刷、磨损及老化等原因，引起失效率不断升高。在耗损失效期内的高加，如果无法通过有效的手段降低失效率，适当延长使用寿命，应及时更换高加，以免增加机组的运行成本。

电厂投运初期所发生的高加泄漏失效，是极少数的，若因严重腐蚀造成换热管大量泄漏，堵管率超过10%的上限[4]、最终将使高加无法继续使用。若换热管泄漏的数量较少，发生的事故轻微且可控，经妥善处理后，高加仍可正常使用。

3 高加失效案例及预防措施

案例一，国外某滨海电厂高加换热管的材质，为SA213TP304不锈钢，因高加换热管发生了大面积泄漏，造成高加泄漏失效，影响了机组正常运行。失效分析的结果表明，高加不锈钢换热管发生了应力腐蚀现象。导致应力腐蚀的主要原因，是因凝汽器发生了泄漏，从而使给水中的氯离子数量超标。奥氏体不锈钢在卤素离子环境下，极易发生应力腐蚀。在电厂的运行管理中，应特别重视对氢电导率的监控，或者将换热管材料更换为对卤素离子敏感性低的碳素钢SA556CrC2，避免高加换热管发生应力腐蚀。

案例二，国内某电厂高加换热管发生大面积泄漏。该高加在安装工地停放了较长时间(约2年)，在此期间未采取保护措施。高加安装后，为去除可能存在的腐蚀物，采用含十八胺等物质的酸洗剂，对高加进行酸洗。酸洗后，未能用清水彻底清除酸洗后残留物质。当高加投运后，残留的化学物质破坏了原本致密的氧化层，使换热管产生了腐蚀凹坑、点腐蚀，并发生了大面积的泄漏。

当高加短期停运后，应在壳侧充满蒸汽，并适当地调节管侧除氧水的pH值，对高加有很好的保护作用。当停机时间较长(超过3个月)，必须提供持久性的保护措施，例如采取充氮或使用其它合适的化学抑制剂。首先，应排净高加管侧及壳侧的积水，待高加壳侧完全干燥后，再充入干燥的氮气。充氮压力应符合防护高加的技术要求。此外，在高加的管侧，应加大联氨的注入量，将浓度提高至200mg/m3，通过增加氨进行调节，控制pH值为10.0[5]。

案例三，国内某电厂3号高加的下端差过高，疏水水位的波动异常。该高加的运行时间超过10年，曾多次发生换热管泄漏，并陆续出现下端差过高、疏水水位波动异常等现象。拆解高加后，发现爆管主要发生在高加的蒸汽冷却段(简称蒸冷段)和疏水冷却段(简称疏冷段)。查阅电厂的运行记录，高加的初次爆管就发生在蒸冷段，该处换热管的外表面存在明显的金属划痕，可能是异物进入高加壳侧后，并卡在换热管中间所产生的划痕。

由于发现及堵漏不及时，第一根换热管爆管后，管侧给水的较大动能从断口处向外释放，不但损伤了周围的换热管，还将蒸冷段的内部包壳击穿。由于产生了泄漏，影响了疏水水位的稳定。水位的持续波动，将使疏冷段内部存在汽液两相流动，更加剧了对换热管的冲刷，造成疏冷段内换热管泄漏、疏冷段包壳穿孔。至此，疏冷段与外部连通，疏水无法进一步冷却，只能以接近进汽饱和温度疏送至下一级加热器，疏水在管道内急剧扩容，引发了管道振动、疏水调节阀开度变大等现象。建议避免在蒸汽管道的密封处使用金属缠绕垫片，并且应在系统冲洗前对高加进行隔离，以免碎屑等异物进入高加内部损伤换热管。预防高加泄漏失效的具体措施，如表3所示。

表3预防高加泄漏失效的措施

序号预防措施操作要求1优化换热结构,针对多种复杂工况进行校核。合理匹配高加换热区段,应对变负荷工况。2严格按图加工、加强质保检测。保证高加出厂质量。3遵守运行水质要求,酸洗勿用十八胺。碳钢pH 9.5以上;不锈钢pH 9.5。4打开运行排气口,排除不凝结气体。避免腐蚀管束,提升换热效率。5热态调试水位,维持水位正常稳定。低水位或水位波动,汽液两相流冲刷疏冷段管束。6减少非正常工况(低负荷)运行次数及时间。过热段出口蒸汽凝结,汽液两相流冲刷管束。7严格控制高加启停时温度变化的速率。升温不超过3℃/min,降温不超过2℃/min。

4 结 语

正确认识高加的泄漏失效现象，及时发现高加泄漏和妥善处理，至关重要。提高机组运行的管理水平，做好停运时的保护措施，预防高加的泄漏事故的发生，才能提高高加的投运率，确保机组安全高效地运行。