锅炉设备失效分析与健康状态管理技术的应用

锅炉设备失效分析与健康状态管理技术的应用
作者：郭万龙
来源：《科技创业月刊》 2014年第5期
郭万龙
（中铝宁夏能源集团有限公司宁夏银川７５０００２）
摘要：“四管”爆漏是燃煤电厂锅炉失效主要形式，是造成机组非计划停运的重要原因，开展锅炉设备健康状态管理，针对性实施管控措施，是提高锅炉安全可靠性的有效途径。

关键词：锅炉设备；健康状态；管理
中图分类号：FQ050
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１4．05．０63
０引言
燃煤火力发电厂锅炉机组的失效与锅炉所用的煤种及品质、锅炉结构、控制手段、工艺技
术水平密切相关。

锅炉失效成因有：锅炉“四管”爆漏；热工保护装置故障误动；锅炉承重结
构的变形、失稳；炉外管道爆漏、制粉系统爆炸、锅炉尾部烧损；锅炉送风机、引风机、磨煤机、排粉机、一次凤机、捞渣机、回转式空气预热器等转动机械飞车、卡滞、振动、轴承（瓦）烧损等故障。

国内可靠性统计资料显示，目前“四管”爆漏依然是影响燃煤火力发电厂安全稳
定长周期运行一大障碍，是锅炉失效主要成因。

锅炉“四管”爆漏是指水冷壁、过热器、再热器、省煤器管子在承压条件下的爆裂破损。

对本公司２００５年至２０１３年火电厂一类障碍以上设备事故不完全统计，全公司一类障碍
３８次，锅炉占２１次，其中１８次是锅炉“四管”泄漏，占锅炉障碍总数的８６％，占集团
公司一类障碍以上设备事故的４７％。

１锅炉“四管”失效原因
大型火电机组锅炉结构及运行更加趋于复杂，不可避免地导致并联各管内的流量与吸热量
发生差异；另外，燃料煤来源渠道多元化，煤质变化大，入炉煤质难以实现平稳控制。

当工作
在恶劣条件下的承压受热部件的工作条件与设计工况偏离、磨损加剧时，就容易造成锅炉爆管。

２０１０年集团公司所属中宁发电公司一个半月内发生５次过热器爆管，爆管在同一种管子、
同一种材料或锅炉的同一区域的相同断面上反复发生，说明锅炉爆管的根本问题未能及时解决。

因此，了解爆管事故的根本原因，搞清“四管”失效机理，提出并落实预防措施，是减少四管
爆漏发生的基本措施。

锅炉“四管”爆漏原因为长期过热、蠕变损坏、腐蚀疲劳、飞灰磨蚀、
垢下腐蚀、氢脆氢损、碱性腐蚀、吹灰器冲蚀、烟气侧腐蚀（特别是使用地Ｎｏｘ燃烧器造成
的水冷壁烟气侧腐蚀减薄）。

２公司爆管的主要诱发因素
２００５年至２０１３年６月全公司１８次锅炉“四管”爆漏失效成因有：
（１）设计缺陷。

热力计算结果与实际不符，致使过热器受热面的面积布置不合理，造成
汽温偏离设计值或受热面超温；炉膛选型不当，如中宁发电公司设计煤种与实际燃煤偏离较多，缺乏根据燃料特性选择炉膛尺寸的可靠依据，使设计出的炉膛不能适应煤种多变的运行条件，
炉膛结构不合理，导致过热器超温爆管，相对于实际煤种不是炉膛高度偏高，引起汽温偏低，
或是炉膛高度偏低则引起超温，壁温计算偏差，导致材质选用不当。

公司多次组织燃烧器改造，效果仍不理想。

（２）制造工艺、安装及检修质量差，特别是焊接质量差以及管子弯头椭圆度和管壁减薄
导致失效爆管。

（３）异物堵塞管路。

发生一起过热器一管内存有螺栓、五起氧化皮堵塞过热器管道引起
爆管。

（４）安装质量问题。

未按照图纸要求施工，使管子排列、固定和膨胀间隙出现问题，从
而导致爆管。

这类问题在机组试运行及前两年出现过。

（５）运行管理。

在实际运行中，由于运行人员误操作及检修时未按有关规定进行或未达
到有关要求而导致过热器或再热器受热面瞬时超温爆管的事故发生。

（６）磨损。

在过热器烟气入口处的弯头、省煤器、再热器管子上均有发生。

因此，无论从锅炉“四管”失效机理还是实际爆漏诱发成因来看其致发因素众多，防止锅
炉四管爆漏，需要坚持设备全过程管理和各环节的质量、状态控制，在从锅炉机组选型、设计、制造、监造、安装、调试、检验、运行和检修、技改等各个环节把好质量关外，积极引入锅炉
设备健康管理体系、技术，运用设备健康状况监测与评估技术，实现集合状态管理、风险管理、寿命管理一体的锅炉健康状态管理，向锅炉设备精细化管理方向发展是趋势使然。

３实现锅炉设备的健康状态管理的途径
（１）欧美等国针对武器装备系统复杂性、综合化、智能化程度的不断增加，更加重视系
统“五性”（可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性）和全寿命周期费用问题，将综合诊断、预测与健康状态管理技术（ＰＨＭ）列为关键技术进行研究应用。

（ＰＨＭ）实际应用表明，可以提高装备安全性、可靠性、降低维修保障费用、提高战备完好率和任务成功率：①通
过减少备件、保障设备、维修人力等保障资源需求，降低维修保障费用；②通过减少维修，特
别是计划外维修次数，缩短维修时间，提高战备完好率；③通过健康状态感知，减少任务过程
中故障引起的风险，提高任务成功率。

（２）ＰＨＭ技术已成功应用于机械结构产品中，比如核电站设备、制动装置、发动机、
传动装置、电子产品，在利用先进集成传感器并借助各种算法及智能模型，对诊断、监控和管
理设备状态、完成故障检测、隔离、故障预测、剩余使用寿命预计、部件寿命跟踪、性能降级
趋势跟踪、保证期跟踪、故障选择性报告、信息管理和融合、辅助决策和资源管理等方面应用
日益成熟和可靠。

锅炉设备的健康管理要实现：关键部位部件或参数的定量监测、异常状态与初始事故隐患
的及时确认、运行维检时机任务的合宜确定、维检过程合理控制与管理四个要素合理系统管控。

锅炉设备进行健康状态管理的核心是科学合理的组织软硬件管理实现基于状态管理、风险管理、寿命管理的集成管理并持续提高完善。

（３）健全锅炉设备全过程健康状态管理台账，全过程严格管控。

借鉴现代医学建立的孕
前干预、孕期呵护、人体营养、诊断治疗、康复保健全生命周期管理干预经验，从设计、制造、安装、调试、运行维检、检验全过程管控锅炉设备健康状态。

（4）设立锅炉设备状态检测、预测分析技术平台。

大型火电机组设备的状态数据呈现海量特征，反映机组或设备状态的数据多种多样，既有温度、压力等直接测量的物理量数据，还有
效率、焓降等通过间接计算获得的数据，通过检验试验获得的特征参数，单从某一方面数据变
化去分析机组设备状态犹如盲人摸象，不能反映出整体状况。

因此，应使用锅炉设备在线、离
线监测、检验和诊断技术，锅炉管、部件寿命管理系统，并系统进行信息融合和预测技术应用。

国外设备状态故障监测预测使用通过监测失效征兆预测状态故障、设置预警回路预测故障
和通过建立累积损伤模型预测状态故障，并采用开放式的体系结构（ＯＳＡ），方便各种故障
诊断与预测方法的不断完善，实现即插即用在系统级实现ＰＨＭ。

（5）将锅炉设备状态分析、可靠性预判常态化，充实设备数据库。

集合工程技术人员经验并基于计算机专家系统收集处理锅炉各部海量信息，并实时与现场实际情况比对证实，参照以
往国内外锅炉事故情况特别是同类事故，补充完善专家系统。

提高预判能力，作好预防工作，
防止意外事故、减少非计划停运。

（6）将ＰＨＭ管理技术及相关硬件配置逐步引入设备系统。

组织开展风险管理，基于控制不出事故，不扩大事故、不发生重特大人身设备事故不同危险等级需要，对锅炉各组成设备部
件根据重要度高低实施不同管理策略。

对高重要度设备部件，应进行详细的风险评价，努力制
定出最合理的运行实时监控手段、高标准维检要求，缩短维检周期，增加维检内容深度；低重
要度设备部件可降低实时监控等级，延长维检周期，适当减少维检内容。

同时搞好事故分析，
及时修订管理策略。

（7）及时进行锅炉设备ＰＨＭ管理技术应用评估。

以实现高“五性”（可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性）和低全寿命周期费用为衡量标准评估锅炉设备健康状态管理技术使
用效果，优化锅炉设备状态、故障诊断预测流程，更新ＰＨＭ管理系统软硬件设施，实现锅炉
设备精益管理，精确分析设备部件的老化程度、老化速度；使设备的运行维护、维检内容、周期、部件更换等最优化。

参考文献
１杨富．张应霖等．新型耐热钢焊接［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６
２鄢晓忠．锅炉设备检修［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００９
３曾声奎，ＭｉｃｈａｅｌＧ．Ｐｅｃｈｔ，吴际．故障预测与健康管理（ＰＨＭ）技术的现状与发展［Ｊ］．航空学报，２００５（５）
４章涵．国外预测与健康管理（ＰＨＭ）标准分析［Ｊ］．航空标准化与质量，２０１０（５）
５刘晓芹，黄考利等．装备预测与健康管理体系结构及关键技术［Ｊ］．军械工程学院学报，２０１０（３）
（责任编辑吴汉）。