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【摘 要】为提高循环效率而设置的给水加热器，作为发电厂的一种主要辅助设备，其故障直接影响机组的出力。 一般发电机组在高压加热器（简称高加）停运时出力受限 10%左右，导致机组效率降低，发电煤耗增加。本文对高加发生管束爆管原因进行了探讨。
【关键词】高压加热器；管束爆管；故障
根据这些年电厂运行实际案例，造成高加故障停运的最主要因素是高加换热管束的损坏。一旦换热管爆裂，高压给水从破口喷涌而出，在低压室扩容的诱导下，形成巨大的冲击流，对周边换热管造成冲击，这种冲击会造成周围管子的连锁爆管。如不及时处理，会使高加造成严重损坏，甚至使汽轮机发生水冲击，影响机组的安全稳定运行。从管束横截面的分布图分析，见图1-1。
主要损坏区域集中在管束上部外围，和下部外围靠近水位面，以及管束中部区域。经过对管束上部损坏换热管进行的深度测量，主要的爆管点分布在过热蒸汽冷却段蒸汽进口区域，见图1-2。
这一区域的爆管损坏占了总爆管的50%以上。造成蒸汽进口区外排管损坏的最主要的原因是由于蒸汽的高流速造成的。其形成机理是：蒸汽进口区外排管迎风面换热管受到高温过热蒸汽的直接冲击。正常情况下，换热管外表面会有一层凝结膜，保护换热管免受高温蒸汽的直接冲击。但当蒸汽流速过高，破坏了换热管外表面的凝结膜，将会使管材金属与高温蒸汽直接接触，导致换热管的金属热应力急剧上升，并达到金属材料破坏极限强度值，在管内高压作用下爆管。
归纳近年全国各电厂所发生的高加管束爆管现象，主要有以下几种情况：
1.1管口与管板胀接、焊接处泄漏原因
1.1.1热应力过大
高加在启停过程中温升率、温降率超过规定，使高加管子和管板受到较大的热应力，造成管口和管板相联接的胀接、焊接处损坏，引起端口泄漏。调峰时负荷变化速度太快以及主机或高加故障骤然停运高加时，如果汽侧解列过快或汽侧解列后水侧仍继续运行，温降率大于1.7～2.0℃/min，管口与管板的胀接、焊缝处常因冷缩过快而损坏。
1.1.2管板变形
U形管口由管板固定，管板变形使管子的端口发生泄漏。高加管板水侧压力高、温度低，汽侧则压力低、温度高，内置式疏水冷却高加管板水汽两侧的温差更大。如果管板的厚度不够，在热应力的作用下，水侧会发生中心凹陷，汽测会发生鼓凸。当主机负荷变化时，高加汽测压力和温度会相应变化，尤其当调峰幅度较大、调峰速度过快或负荷突然变大时，在给水泵定速运行的情况下，给水压力也会发生较大的变化，甚至可能超过高加水侧的额定压力。这些变化会使管板发生变形，甚至永久变形，并导致管子端口泄漏。当主机在运行中停运高加时，如果高加进汽门内漏，会使高加水侧被加热而定容升压，在水侧无安全阀或安全阀失灵的情况下，压力可能升得很高，也会使管板变形，导致管子端口泄漏。
1.1.3漏管焊堵工艺不当
高加U型管泄漏后，一般采用锥形塞焊接封堵。如果打入锥形塞时捶击力太大，会引起管孔变形，从而影响邻近管子与管板的联接处，使之出现新的泄漏。焊接过程中，如果预热、焊接位置及尺寸不合适，会造成邻近管口与管板连接处的损坏。采用其他堵管方法，如胀管堵管、爆炸堵管等，如果工艺不当，也会引起邻近管口的泄漏。
1.1.4制造质量不良
高加的管板材质是合金钢，U型管材质是低碳钢，按制造工艺标准，应在管板上焊一层低碳钢，但往往因焊接技术不过关，常留有焊接缺陷，存在管子泄漏的可能。
1.2 管子本身泄漏原因
1.2.1冲刷侵蚀
（1）管子外壁受抽汽时汽水两相流的冲刷而变薄，直至发生穿孔或受给水压力作用而鼓破，高加管壁受到汽水两相流冲刷的主要原因有：①过热蒸汽在高加冷却段及其出口的过热度达不到设计要求；②高加的疏水水位保持过低，甚至无水位；③疏水溫度远高于设计值，当抽汽压力突然降低时发生疏水定压扩容，产生的汽水混合物进入下一级高加，使其管壁受到冲刷。
（2）管壁受到蒸汽或疏水的直接冲击。主要原因是：①防冲板材料和固定方式不合理，在运行中破碎或脱落，失去保护管壁的作用；②防冲刷板面积不够大，水滴随高速汽流运动，冲击防冲板防护区域以外的管束；③壳体与管束间的距离太小，造成入口处的汽流速度太快；④当高加某根管子发生泄漏时，高压给水从泄漏处以极大的速度冲出，将邻近管子或隔板冲刷破坏。
1.2.2管子振动
当给水温度过低或机组超负荷时，通过高加管束间的蒸汽流量和流速均超过设计值较大，而且有一定弹性的管束在汽流扰动力的作用下会产生振动。当扰动力的频率与管束固有振动频率的倍数相吻合时，将引起管束共振，使振幅大大增加，导致管子与管板的连接处受到反复作用力，最终造成管束损坏。管束振动损坏的原因有：
（1）振动使管子或管子与管板连接处的应力超过材料的疲劳极限，使管子疲劳断裂。
（2）振动的管子在支撑隔板的管孔中与隔板发生摩擦，使管壁变薄，最后导致破裂。
（3）当振动幅度较大时，在支撑隔板跨距中间位置的相邻管子会相互摩擦，使管子磨损或疲劳断裂。
1.2.3管子入口端给水侵蚀
管子入口端给水侵蚀损坏只发生在碳钢管束上，它是一种侵蚀和腐蚀共同作用的损坏过程。其机理是管内壁表面形成的氧化膜被高紊流度的给水破坏，造成金属材料不断损失，最终导致管子的破损。当给水PH值低于9.6、含氧量高于7μg/L。
给水温度低于260℃、紊流度大的情况下，最容易发生侵蚀。损坏面可扩大至管端焊缝甚至管板。
1.2.4腐蚀
高加管束腐蚀的原因有：（1）给水含氧量和pH值超标。当给水中的含氧量过高或pH值过低时，会使高加管子的内壁受到腐蚀。当汽侧有空气存在时（例如高加在运行中放空气管未投运或工作不正常使空气排放不完全，或停运时汽侧疏水未排净），会引起管束外壁的氧腐蚀。（2）低加铜管发生腐蚀后的铜沉积会引起点腐蚀，形成点蚀坑。（3）蒸汽温度影响碳钢表面氧化膜的形成。一般认为，蒸汽在260℃以上时，氧化膜容易破坏，管材易发生腐蚀。 1.2.5超压爆管
引起高加水侧压力过高的原因有：（1）配用定速给水泵的系统，如果只根据正常运行时的给水压力来确定高加水侧的设计压力，那么在启动过程中或低负荷运行时，由于锅炉给水调节门开度较小，给水流量减少，给水泵出口压力增大，可能使管束承受超过设计值的给水压力而发生爆管。运行中负荷突降或紧急停炉熄火后常常发生这种情况。（2）在机组运行中高加因故停用时，如果给水进出口阀门关闭严密，而进汽阀有泄漏时，被封闭在加热器水侧的给水受到漏入蒸汽的加热，会使管束的水压力大幅度上升，导致爆管。（3）高加水侧压力过高又未安装安全门时，过高的压力会使管子鼓胀而变粗开裂。
1.2.6材质、工艺不良
高加管子存在材质不良、管壁厚薄不均、组装前管子有缺陷、胀口处过胀、管子外侧有拉损伤痕等情况时，一旦遇到异常工况，管子就会大量损坏高加U形管子管壁过薄，是结构上造成泄漏的根本原因。
1.3运行操作不当引起的高加异常
1.3.1高加投运不遵守限定的温升率。如果高加能够随机组冷态正常投运，滑启滑停，这是最好的启停模式。问题主要出在高加故障停运检修后热态投入。如果操作不遵守限定的温升率，在短时间内，高加从常温常压迅速上升到高温高压，这种巨大的温度压力冲击，会使高加遭受巨大的伤害。首当其冲的是高加水室内件变形，紧固件损坏，焊缝开裂，造成给水短路。其二是管板承受极大的应力变化，特别是在管子管板焊口处的瞬时应力极大，很容易造成焊口泄漏。而且厚实的管板与较薄的管束之间吸热速度不同步，吸热不均匀而产生巨大的热应力，而使得U型管产生热变形。
1.3.2高加水侧投入后，热态工况下，高加的进汽阀门的打开，没有按限定的温升率；或者3个高加的汽侧投入没有按压力从低到高的顺序逐步投入；或者3个高加汽侧同时投入的速度差别太大，造成压力较高的高加先全开进汽阀，压力低的高加进汽阀没有全开。这时都会出现后一级高加超负荷运行。如果上述现象持续时间足够的长，将会造成高加的损坏。
1.3.3有的电厂在实际运行中，发现某1个高加的进汽压力偏高，有时高出设计值很多，为了减少高压缸的额外抽汽损失，人为地将高加进汽门的开度限制在75%上，结果造成本級高加壳侧压力下降较多，给水出口温度大幅下降，使后一级高加超负荷运行，进汽量大增，疏水量大增，出现疏水管道振动和高加进汽口处管束损坏的恶果。
参考文献：
[1] 刘自谦.高压加热器长期运行的可靠性分析.江西电力.1993，第2期.
[2] 谢黎明，张宏星.国产300MW汽轮机高压加热器泄漏原因分析及预防措施《宁夏电力》2007 年增刊.
[3] 刘瑞梅，王继伟.火力发电厂高压加热器故障分析及对策.锅炉制造.2008，5.
【关键词】高压加热器；管束爆管；故障
根据这些年电厂运行实际案例，造成高加故障停运的最主要因素是高加换热管束的损坏。一旦换热管爆裂，高压给水从破口喷涌而出，在低压室扩容的诱导下，形成巨大的冲击流，对周边换热管造成冲击，这种冲击会造成周围管子的连锁爆管。如不及时处理，会使高加造成严重损坏，甚至使汽轮机发生水冲击，影响机组的安全稳定运行。从管束横截面的分布图分析，见图1-1。
主要损坏区域集中在管束上部外围，和下部外围靠近水位面，以及管束中部区域。经过对管束上部损坏换热管进行的深度测量，主要的爆管点分布在过热蒸汽冷却段蒸汽进口区域，见图1-2。
这一区域的爆管损坏占了总爆管的50%以上。造成蒸汽进口区外排管损坏的最主要的原因是由于蒸汽的高流速造成的。其形成机理是：蒸汽进口区外排管迎风面换热管受到高温过热蒸汽的直接冲击。正常情况下，换热管外表面会有一层凝结膜，保护换热管免受高温蒸汽的直接冲击。但当蒸汽流速过高，破坏了换热管外表面的凝结膜，将会使管材金属与高温蒸汽直接接触，导致换热管的金属热应力急剧上升，并达到金属材料破坏极限强度值，在管内高压作用下爆管。
归纳近年全国各电厂所发生的高加管束爆管现象，主要有以下几种情况：
1.1管口与管板胀接、焊接处泄漏原因
1.1.1热应力过大
高加在启停过程中温升率、温降率超过规定，使高加管子和管板受到较大的热应力，造成管口和管板相联接的胀接、焊接处损坏，引起端口泄漏。调峰时负荷变化速度太快以及主机或高加故障骤然停运高加时，如果汽侧解列过快或汽侧解列后水侧仍继续运行，温降率大于1.7～2.0℃/min，管口与管板的胀接、焊缝处常因冷缩过快而损坏。
1.1.2管板变形
U形管口由管板固定，管板变形使管子的端口发生泄漏。高加管板水侧压力高、温度低，汽侧则压力低、温度高，内置式疏水冷却高加管板水汽两侧的温差更大。如果管板的厚度不够，在热应力的作用下，水侧会发生中心凹陷，汽测会发生鼓凸。当主机负荷变化时，高加汽测压力和温度会相应变化，尤其当调峰幅度较大、调峰速度过快或负荷突然变大时，在给水泵定速运行的情况下，给水压力也会发生较大的变化，甚至可能超过高加水侧的额定压力。这些变化会使管板发生变形，甚至永久变形，并导致管子端口泄漏。当主机在运行中停运高加时，如果高加进汽门内漏，会使高加水侧被加热而定容升压，在水侧无安全阀或安全阀失灵的情况下，压力可能升得很高，也会使管板变形，导致管子端口泄漏。
1.1.3漏管焊堵工艺不当
高加U型管泄漏后，一般采用锥形塞焊接封堵。如果打入锥形塞时捶击力太大，会引起管孔变形，从而影响邻近管子与管板的联接处，使之出现新的泄漏。焊接过程中，如果预热、焊接位置及尺寸不合适，会造成邻近管口与管板连接处的损坏。采用其他堵管方法，如胀管堵管、爆炸堵管等，如果工艺不当，也会引起邻近管口的泄漏。
1.1.4制造质量不良
高加的管板材质是合金钢，U型管材质是低碳钢，按制造工艺标准，应在管板上焊一层低碳钢，但往往因焊接技术不过关，常留有焊接缺陷，存在管子泄漏的可能。
1.2 管子本身泄漏原因
1.2.1冲刷侵蚀
（1）管子外壁受抽汽时汽水两相流的冲刷而变薄，直至发生穿孔或受给水压力作用而鼓破，高加管壁受到汽水两相流冲刷的主要原因有：①过热蒸汽在高加冷却段及其出口的过热度达不到设计要求；②高加的疏水水位保持过低，甚至无水位；③疏水溫度远高于设计值，当抽汽压力突然降低时发生疏水定压扩容，产生的汽水混合物进入下一级高加，使其管壁受到冲刷。
（2）管壁受到蒸汽或疏水的直接冲击。主要原因是：①防冲板材料和固定方式不合理，在运行中破碎或脱落，失去保护管壁的作用；②防冲刷板面积不够大，水滴随高速汽流运动，冲击防冲板防护区域以外的管束；③壳体与管束间的距离太小，造成入口处的汽流速度太快；④当高加某根管子发生泄漏时，高压给水从泄漏处以极大的速度冲出，将邻近管子或隔板冲刷破坏。
1.2.2管子振动
当给水温度过低或机组超负荷时，通过高加管束间的蒸汽流量和流速均超过设计值较大，而且有一定弹性的管束在汽流扰动力的作用下会产生振动。当扰动力的频率与管束固有振动频率的倍数相吻合时，将引起管束共振，使振幅大大增加，导致管子与管板的连接处受到反复作用力，最终造成管束损坏。管束振动损坏的原因有：
（1）振动使管子或管子与管板连接处的应力超过材料的疲劳极限，使管子疲劳断裂。
（2）振动的管子在支撑隔板的管孔中与隔板发生摩擦，使管壁变薄，最后导致破裂。
（3）当振动幅度较大时，在支撑隔板跨距中间位置的相邻管子会相互摩擦，使管子磨损或疲劳断裂。
1.2.3管子入口端给水侵蚀
管子入口端给水侵蚀损坏只发生在碳钢管束上，它是一种侵蚀和腐蚀共同作用的损坏过程。其机理是管内壁表面形成的氧化膜被高紊流度的给水破坏，造成金属材料不断损失，最终导致管子的破损。当给水PH值低于9.6、含氧量高于7μg/L。
给水温度低于260℃、紊流度大的情况下，最容易发生侵蚀。损坏面可扩大至管端焊缝甚至管板。
1.2.4腐蚀
高加管束腐蚀的原因有：（1）给水含氧量和pH值超标。当给水中的含氧量过高或pH值过低时，会使高加管子的内壁受到腐蚀。当汽侧有空气存在时（例如高加在运行中放空气管未投运或工作不正常使空气排放不完全，或停运时汽侧疏水未排净），会引起管束外壁的氧腐蚀。（2）低加铜管发生腐蚀后的铜沉积会引起点腐蚀，形成点蚀坑。（3）蒸汽温度影响碳钢表面氧化膜的形成。一般认为，蒸汽在260℃以上时，氧化膜容易破坏，管材易发生腐蚀。 1.2.5超压爆管
引起高加水侧压力过高的原因有：（1）配用定速给水泵的系统，如果只根据正常运行时的给水压力来确定高加水侧的设计压力，那么在启动过程中或低负荷运行时，由于锅炉给水调节门开度较小，给水流量减少，给水泵出口压力增大，可能使管束承受超过设计值的给水压力而发生爆管。运行中负荷突降或紧急停炉熄火后常常发生这种情况。（2）在机组运行中高加因故停用时，如果给水进出口阀门关闭严密，而进汽阀有泄漏时，被封闭在加热器水侧的给水受到漏入蒸汽的加热，会使管束的水压力大幅度上升，导致爆管。（3）高加水侧压力过高又未安装安全门时，过高的压力会使管子鼓胀而变粗开裂。
1.2.6材质、工艺不良
高加管子存在材质不良、管壁厚薄不均、组装前管子有缺陷、胀口处过胀、管子外侧有拉损伤痕等情况时，一旦遇到异常工况，管子就会大量损坏高加U形管子管壁过薄，是结构上造成泄漏的根本原因。
1.3运行操作不当引起的高加异常
1.3.1高加投运不遵守限定的温升率。如果高加能够随机组冷态正常投运，滑启滑停，这是最好的启停模式。问题主要出在高加故障停运检修后热态投入。如果操作不遵守限定的温升率，在短时间内，高加从常温常压迅速上升到高温高压，这种巨大的温度压力冲击，会使高加遭受巨大的伤害。首当其冲的是高加水室内件变形，紧固件损坏，焊缝开裂，造成给水短路。其二是管板承受极大的应力变化，特别是在管子管板焊口处的瞬时应力极大，很容易造成焊口泄漏。而且厚实的管板与较薄的管束之间吸热速度不同步，吸热不均匀而产生巨大的热应力，而使得U型管产生热变形。
1.3.2高加水侧投入后，热态工况下，高加的进汽阀门的打开，没有按限定的温升率；或者3个高加的汽侧投入没有按压力从低到高的顺序逐步投入；或者3个高加汽侧同时投入的速度差别太大，造成压力较高的高加先全开进汽阀，压力低的高加进汽阀没有全开。这时都会出现后一级高加超负荷运行。如果上述现象持续时间足够的长，将会造成高加的损坏。
1.3.3有的电厂在实际运行中，发现某1个高加的进汽压力偏高，有时高出设计值很多，为了减少高压缸的额外抽汽损失，人为地将高加进汽门的开度限制在75%上，结果造成本級高加壳侧压力下降较多，给水出口温度大幅下降，使后一级高加超负荷运行，进汽量大增，疏水量大增，出现疏水管道振动和高加进汽口处管束损坏的恶果。
参考文献：
[1] 刘自谦.高压加热器长期运行的可靠性分析.江西电力.1993，第2期.
[2] 谢黎明，张宏星.国产300MW汽轮机高压加热器泄漏原因分析及预防措施《宁夏电力》2007 年增刊.
[3] 刘瑞梅，王继伟.火力发电厂高压加热器故障分析及对策.锅炉制造.2008，5.