1、2023 年 第 1 期 化学工程与装备 2023 年 1 月 Chemical Engineering&Equipment 199 9F9F 级燃气轮机余热锅炉高温段穿墙管超温的处理级燃气轮机余热锅炉高温段穿墙管超温的处理 孙伟博（北京京丰燃气发电有限责任公司，北京 100074）摘摘 要：要：余热锅炉高温段穿墙管超温是电厂普遍存在的现象，一直是行业内的难题。特别是对于调峰机组，随着机组启停次数增加，原有锅炉厂设计的穿墙管密封、保温结构无法适应管道频繁膨胀收缩，随频次增加而逐渐失效，造成穿墙管严重超温。超温不但会增加锅炉热损失，还会对巡检人员带来安全隐患，对承重梁/柱和炉外支撑钢结构强度带来
2、严重影响，严重威胁机组安全。文章着重阐述该厂对原穿墙管结构的超温分析和创新改进，供国内同类型机组参考。关键词：关键词：余热锅炉；穿墙管；超温 引引 言言 北京某电厂 1 号机为国内首台 9F 级燃气轮机，型号为三菱重工制造M701F型。配套余热锅炉型号为DG287/10.67/38.2/3.73/48.2/0.49-M102。余热锅炉为卧式、自然循环、三压再热、无补燃、露天布置（炉顶小间封闭）型式，由东方菱日锅炉有限公司制造，也是国内首批设计制造并投运的9F 级余热锅炉。其中一级再热器入口管道、一级再热器出口管道、二级过热器入口管道共计 18 根穿墙管分布在锅炉高温烟气侧由炉底板引出排布。穿墙
3、管炉膛内侧为金属波纹管制作的膨胀节，用以吸收管道膨胀、收缩产生的轴、径向位移；炉膛外侧为金属保温盒内部填充保温棉结构形式，以起到保温、隔热作用。但随着机组调峰作用日益显著，启停次数增加，管道频繁的冷、热态交替变化，原穿墙管结构设计无法满足现实工况要求，造成超温，如表 1 所示。该厂从超温原因分析入手，对原穿墙管结构进行优化改造，改造后效果明显。表表 1 20181 2018 年高温年高温段穿墙管表面温度段穿墙管表面温度 单位：管道 名称 测温 位置 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 二级 过热器 入口 测点 1 321 312
4、 348 342 停机 检修 378 397 389 停机 检修 356 352 334 测点 2 316 334 342 340-384 376 402-363 334 331 测点 3 301 351 319 372-372 385 379-352 351 340 测点 4 352 342 381 308-308 342 333-348 342 351 测点 5 316 316 301 306-389 384 378-342 330 333 测点 6 325 325 352 374-402 372 384-334 340 352 均值 322 330 341 340-372 376 378
5、-349 342 340 1 1 超温原因分析超温原因分析 1.1 炉内密封结构破坏 原穿墙管阻止烟气外泄的密封装置主要是依靠炉膛内金属膨胀节来实现，而金属膨胀节的主要结构为金属波纹管。金属波纹管是指镀锌或不镀锌低碳钢带螺旋折叠咬口制成的金属管1。主要由波纹管部分和两端配合连接部分所组成（为一次性加工成型）。金属膨胀节下端与炉膛内部底板焊接，上端与管道预留凸台焊接，中间波纹部分套住管道。该膨胀节主要起到两方面作用：第一是密封作用，防止炉内烟气从穿墙管道与炉底板缝隙泄露。第二是吸收管道膨胀收缩引起的轴向、径向位移。实际检修中发现，超温严重区域的穿墙管道内部金属膨胀节多有开焊或波纹管开裂情况发生。
6、分析其原因：其一为波纹管长期参与机组调峰，频繁的冷热态变化造成热疲劳，引起热交变应力。达到装置的抗疲劳极限，引起疲劳开裂。其二是金属波纹管的厚度较厚，使得波纹段韧性较低，无法满足工况需求。密封装置破坏，造DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.042200 孙伟博：9F 级燃气轮机余热锅炉高温段穿墙管超温的处理 成锅炉入口高温烟气向外泄漏形成通流，从而导致穿墙管区域发生严重超温。1.2 炉外缺少密封结构 穿墙管因机组冷热交替会发生轴、径向位移，与炉外保温盒发生相对位移。因此原有设计并未对炉外保温盒与管道进行连接密封，存在较大缝隙。当炉内金属膨胀节损坏无法及时发现处理时，
7、烟气由缝隙处泄漏。炉外没有有效的密封装置阻止烟气外泄，是造成穿墙管区域超温的又一因素。1.3 炉内管道伸长形成裸露 当机组热态运行时，炉内受热面联箱管道膨胀伸长，致使原本在炉内的管道伸出炉外，形成裸管。虽有外部保温盒，但伸出管道无保温紧贴包裹，致使热量从保温盒与管道间缝隙向外扩散，造成超温。1.4 保温损坏失效 保温损坏失效要从两方面讲，一是因炉膛内底部护板变形，造成护板内保温棉被烟气吹散损坏，失去隔热效果，从而造成超温。二是保温盒内直接填充保温棉，当管道频繁冷、热交替产生相对位移时与盒内保温棉相互摩擦、挤压。造成保温棉堆积、老化进而失效，失去隔热作用，造成超温。2 2 处理措施处理措施 该厂
8、针对造成超温的 4 个原因进行对症处理，分别对炉内密封结构、炉外密封结构、管道伸长形成的裸管和保温填充方式 4 个方面进行优化改进，从结构形式和安装方面着手，最大限度增强穿墙管密封结构强度、密封性和隔热性。2.1 针对密封性 2.1.1 改进金属波纹管 原膨胀节密封主要依靠焊接金属波纹管实现。金属波纹管因其用途不同而选择不同的金属材料。因其材质不同，故所加工制作的金属波纹管性能及用途也有所不同2。波纹管处壁厚较薄的原因：波纹管管壁薄更容易吸收热胀以及轴向，横向位移，已满足功能要求3。该厂对波纹管材质选择与规格方面重新确定，将原波纹段与连接短管的 310S 与SUS321 材质改进为 SUS31
9、6L 和 SUS304，搭接角焊缝采用氩弧焊，不得有裂纹及影响强度的缺陷存在。焊接时波纹管表面加以覆盖，以免损伤。搭接或角焊缝焊脚高等于较薄件的厚度为连续焊接。同时将原 1.0 mm 的壁厚降低到 0.8 mm，以提高波纹段的韧性。通过对金属波纹管结构的部分优化改进，提高波纹管的韧性和疲劳强度，以保证在管道频繁地伸缩中，降低金属波纹撕裂风险。并保证良好的焊接性和耐高温腐蚀性，减少开焊和高温腐蚀的风险。2.1.2 增加炉膛外部密封 将原炉外保温盒改进为蒙皮保温装置，蒙皮是非金属膨胀节的主要伸缩体,是由性能优良的硅橡胶或高硅氧聚四氟乙烯与无碱玻璃丝绵等多层复合而成,是一种高强密封复合材料4。它具有
10、耐高温、耐腐蚀、阻燃性能好、吸音减震、柔韧性好等优点，可以补偿多方向管道的伸缩位移。主要形式是蒙皮以筒型套在管道外部，上端固定在炉底板下方的连接套管，连接套管焊接在炉底板。蒙皮下端固定在固定圆环，通过卡箍装置进行锁紧连接。炉外保温装置有以下四处密封：金属连接套管与炉底板采用焊接连接为一处密封；连接套管外沿设置挡圈，防止蒙皮脱落。蒙皮与连接套管用卡箍锁紧连接，形成密封；蒙皮下端与固定圆环通过卡箍锁紧连接，形成密封；为使固定圆环避免与管道直接接触，将其固定在包裹管道的隔热织布上，形成密封。一旦炉内密封破坏，炉外非金属膨胀节可以起到炉外密封作用，消除漏风，图 1、图 2 所示为改造前、后结构图对比。
11、图图 1 1 改造前结构图改造前结构图 图图 2 2 改造后结构图改造后结构图 1.炉墙;2.穿墙管;3.高硅氧隔热布;4.连接套管;5.保温被;6.固定圆环;7.蒙皮;8.卡箍;9.保温层;10.挡圈;11.穿墙孔;12.抱箍片;13.凸台 2.2 针对伸长裸露 改变原有填充保温棉方式，采用高温隔热织布缠绕管道并包裹至炉内金属膨胀节内部，且大于管道最大伸长量，避免管道伸长是发生裸管现象。2.3 针对保温损坏失效 定期更换炉膛损坏内部板及保温棉，确保无护板变形损坏造成保温吹散失效的情况发生。炉外保温结构内部一方面以保温被的方式填充，即将保温棉4与高温隔热织布制作成 孙伟博：9F 级燃气轮机余热
12、锅炉高温段穿墙管超温的处理 201 保温隔热被，填入连接圆筒。保证当管道伸缩时，包裹在管道的隔热织布与紧贴的保温被发生相对位移，由于两部分保温装置属于独立结构，因此表面摩擦力较小，因此相对位移时不会发生挤压、堆积使保温失效。另一方面蒙皮内部管道是将高温隔热织布缠绕固定在管道，与管道同步位移。保证保温不会因管道反复伸缩造成脱落失效，起到很好的隔热作用。3 3 结结 语语 自 2018 年改造完成，该厂对 2019 年改进后的穿墙管密封结构表面温度进行监测，如表 2 所示，可以看出 2019 年的改进效果明显。改进后的穿墙管密封结构，在保证烟气密封、补偿管道伸缩以及保温隔热等方面均有不错表现。20
13、20年对改进后的穿墙管密封结构表面温度进行持续监测，如表3 所示，虽然平均温度略有上升，但较改造前效果依然明显，全年未发生超温现象。此项创新改造弥补了原锅炉设计上的缺陷，优化了锅炉穿墙管密封保温结构。不仅减少锅炉散热损失，而且极大保证锅炉的结构安全和运行稳定，对同类型锅炉有很好的推广应用价值。今后将继续定期对装置进行监测、更换、维修，避免因机组频繁启停调峰运行造成蒙皮的拉裂、橡胶布的脱落以及接头部位的张开5,造成高温烟气外漏等问题。表表 2 20192 2019 年高温段穿墙管表面温度年高温段穿墙管表面温度 单位：单位：管道名称 测温位置 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月
14、 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 二级 过热器 入口 测点 1 42 47 45 46 44 47 49 48 停机检修 45 45 43 测点 2 43 44 48 43 44 48 47 50-46 46 45 测点 3 48 42 49 48 48 47 48 47-45 48 46 测点 4 46 46 48 42 47 49 44 43-44 44 48 测点 5 41 48 40 41 49 48 48 47-44 46 44 测点 6 48 44 45 46 48 50 47 48-49 46 44 均值 45 45 46 44 47 48 47 47 -46 46
15、 45 表表 3 20203 2020 年高温段穿墙管表面温度年高温段穿墙管表面温度 单位：单位：管道名称 测温位置 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 二级 过热器 入口 测点 1 56 61 66 58 停机检修 57 66 71 62 停机检修 57 55 测点 2 57 55 57 59-68 63 63 59-53 55 测点 3 55 56 50 61-63 53 59 55-57 54 测点 4 58 50 59 57-57 57 70 58-59 58 测点 5 55 51 45 53-60 58 68 57-53
16、 50 测点 6 51 55 49 51-55 61 61 66-58 54 均值 55.3 54.7 54.3 56.5-60 59.7 65.3 59.5-56.2 54.3 参参考文献考文献 1 周旭.金属波纹管：CN302394270SP.2013:1-2.2 顾广瑞.金属波纹管J.仪表技术与传感器,1975(3):49-54.3 李霄玺,尹俊连.非金属膨胀节在核电厂管道中的应用J.中国设备工程,2017(8):79-80.4 王丽新,马殿晖,索毓慧.浅谈非金属膨胀节在联合循环余热炉中的应用J.发电设备,2003(01):23-25.5 赖新华.调峰运行对 NG-M701F-R 余热锅炉设备的影响J.广东电力,2010,23(07):72-75.