鍋爐高溫受熱面出口爐外管壁溫度檢測方法

　　在大容量電站鍋爐高溫受熱面出口的爐外管段上，一般均裝有許多管壁溫度測點，這些測點的檢測值對分析和查找受熱面在設(shè)計、制造、安裝和長期運行過程中產(chǎn)生的缺陷和問題，確保其長期安全可靠的工作具有十分重要的意義。然而，在與電廠有關(guān)專業(yè)人員的長期接觸中，發(fā)現(xiàn)不少人員對爐外管壁溫度檢測的有關(guān)知識缺乏正確和全面的理解，主要表現(xiàn)為:爐外管壁溫度測點的基本安裝方式和工藝要求;這些溫度測量值究竟代表什么，如何利用這些溫度檢測值來初步分析受熱面的熱偏差情況;如何利用這些檢測值來初步判斷爐內(nèi)受熱面的管壁溫度、安全性狀態(tài)及主要檢驗檢修部位;如何初步分析該檢測系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性等。長期以來，缺乏專門書籍和專題資料來論述這方面的問題。
　　
　　一、高溫受熱面爐外管壁溫度測點的基本安裝方式和工藝要求
　　
　　1.1安裝方式
　　
　　通常爐外壁溫測點的基本安裝方式有2種:
　　
　?。?）用緊固件將熱電偶壓接在管壁上，這種方式具有施工和維護方便的優(yōu)點，缺點是易發(fā)生熱接點與管壁接觸不良;
　　
　　（2）采用特殊焊接工藝將熱接點熔接在管壁上。
　　
　　上述工序完成后，將熱接點和管子一同進行絕熱保溫。
　　
　　1.2工藝要求
　　
　?。?）安裝熱接點的壁面部位應(yīng)嚴(yán)格除銹及雜物，熱接點要牢固地壓接或熔接在已除銹的壁面上，防止松動或脫落。
　　
　　（2）測點保溫層要密實、貼牢、無裂紋，且具有足夠的厚度，以盡可能減少管子向環(huán)境的散熱。
　　
　?。?）熱電偶引出線應(yīng)盡可能沿管壁敷設(shè)一小段，并用不銹鋼絲箍緊，這樣既可使測點牢固不松，又減少測點沿?zé)犭娕挤较虻膫鲗?dǎo)散熱。
　　
　?。?）按照測點溫度的范圍選擇合適的熱電偶型式，安裝前逐一對熱電偶進行校驗和選優(yōu)。
　　
　　二、爐外壁溫測量值的真正含義
　　
　　壁溫測點雖然是直接測量爐外管壁金屬溫度，但它并不是設(shè)計者的真正意圖，更不能把它當(dāng)作爐內(nèi)管壁金屬溫度。實際上這些測點測值被用以代表過熱器或再熱器相應(yīng)管圈內(nèi)的蒸汽溫度。
　　
　　2.1管內(nèi)截面蒸汽溫度分布的均勻性
　　
　　一般來說，當(dāng)管內(nèi)蒸汽的雷諾數(shù)較低時，蒸汽的流動狀態(tài)屬層流，同一截面處的各層溫度不同。當(dāng)雷諾數(shù)大于界限雷諾數(shù)時（式中，dn為管道內(nèi)徑，mm;△為管子內(nèi)壁粗糙度，mm），流動進入紊流狀態(tài)，管內(nèi)流體溫度趨于均勻。
　　
　　根據(jù)計算，過熱器和再熱器管中的雷諾數(shù)都比界限雷諾數(shù)高出數(shù)倍，因此可以認為管內(nèi)截面的汽溫分布非常均勻一致[1]。
　　
　　2.2管子外壁與管內(nèi)蒸汽之間的溫差
　　
　　分析爐外管段的傳熱狀況見圖1，由于沿管子軸線方向溫降很小，軸向傳熱可忽略不計。　　
　　管子外壁與管內(nèi)蒸汽之間的溫差，來源于管內(nèi)蒸汽向管外環(huán)境沿徑向的散熱。為簡化計算，此處不考慮管子內(nèi)壁氧化層對傳熱的影響，其數(shù)值可按式（1）計算[2]：　　
　　式（1）單位長度管子的散熱量q可按式（2）計算：　　
　　式（1）（2）中：tzq,tnb,twb,twb,tjr,th分別為管內(nèi)蒸汽溫度、受熱面管內(nèi)壁溫度、外壁溫度、絕熱層外壁溫度、環(huán)境溫度，℃；q為每米長度管子的散熱量，W/m;dn,dw,dj分別為管子內(nèi)徑、外徑及保溫層的外徑，m；λb,λj分別為管壁和保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2.℃）；α2為蒸汽對管子內(nèi)壁的放熱系數(shù)，W/（m2.℃）；α1為保溫層外壁對周圍環(huán)境的散熱系數(shù)，W/（m2.℃）。
　　
　　以超高壓鍋爐的有關(guān)參數(shù)進行計算，考慮50mm的保溫層厚度（實際上更厚），計算結(jié)果表明散熱量q非常小，僅為250W/m。將q值代入（1）式，可算出過熱器管子外壁與管內(nèi)蒸汽之間的溫差，其值也是非常微小的，僅為1.5℃左右。隨蒸汽壓力的變化，放熱系數(shù)α2稍有變化。如再熱器中，α2相對較低，管子外壁與管內(nèi)蒸汽之間的溫差略大一些，但數(shù)值也在3℃以內(nèi)。管者曾參與過專門的試驗測量，即同時分別測量了爐外管段的管內(nèi)蒸汽和管子外壁金屬溫度，結(jié)果表明二者溫差為2℃左右，且管壁溫度總是低于蒸汽溫度。這與上述分析計算結(jié)果*一致。因此，在工程應(yīng)用中，*可以將爐外管子的外壁溫度視作為管子出口處的管內(nèi)蒸汽溫度。
　　
　　三、利用爐外管壁溫度值對受熱面?zhèn)鳠峁r和安全性狀態(tài)進行評估
　　
　　3.1判斷并聯(lián)管圈之間的熱偏差
　　
　　在現(xiàn)代大容量電站鍋爐高溫過熱器和再熱器的設(shè)計中，為了充分利用金屬材料提高循環(huán)效率，已使?fàn)t內(nèi)受熱面的設(shè)計計算壁溫非常接近其金屬的許用溫度限值，受熱面又處于很高的煙溫區(qū)，因此能夠容忍的并聯(lián)管圈間的熱偏差在鍋爐各受熱面中是zui小的。高溫受熱面是按持久強度進行設(shè)計計算的，鋼材持久強度及其蠕變壽命的降低不是與其工作溫度的升高呈簡單的線性關(guān)系，當(dāng)金屬材料在接近其許用溫度限區(qū)域時工作溫度的小幅度上升，將會導(dǎo)致其許用應(yīng)力及蠕變壽命的大幅下降。當(dāng)12CrlMoV管材的工作溫度分別為560,570,580℃時，其基本許用應(yīng)力分別為65,57,5OMPa[2];又如，當(dāng)12Cr2MoWVTiB（l02）管材的工作溫度分別為600,610,620℃時，其基本許用應(yīng)力分別為59,52,43MPa[3]。
　　
　　從管材的使用壽命分析，使用壽命與其工作溫度的關(guān)系滿足拉森-米勒方程[4]:
　　
　　T（C＋1gτ）=LMP（3）
　　
　　式中，T為以溫度表示的金屬溫度;C為與材料有關(guān)的常數(shù);τ為管子使用壽命，h;LMP為與應(yīng)力相關(guān)的Larson-Miller參數(shù)。如12CrlMoV鋼在540℃時的設(shè)計壽命為1.75×1O5h，在600℃時只能運行4.39×lO3h。
　　
　　因此，受熱面管材的工作溫度必須滿足持久強度的要求。此外，還必須受限于管子內(nèi)外壁氧化溫度的要求。這些是評估受熱面安全可靠性的重要指標(biāo)。
　　
　　一系列爐外管壁溫度監(jiān)測值將并聯(lián)管圈的熱偏差十分清楚地顯示出來，如果熱偏差超常，有可能導(dǎo)致爐內(nèi)受熱面局部超溫，使其基本許用應(yīng)力和蠕變壽命大幅度降低。此時，應(yīng)首先對高溫度值的爐內(nèi)管材超溫可能性進行初步評估，分析原因并研究采取的初步應(yīng)對措施。
　　
　　由此可見，利用爐外溫度測點監(jiān)視、分析和控制熱偏差，對于保證高溫受熱面安全可靠的工作，延長其使用壽命十分必要。
　　
　　3.2初步判斷爐內(nèi)受熱面管是否超溫
　　
　　在現(xiàn)場，常聽到運行專業(yè)人員說管壁溫度（指爐外）還未達到金屬許用溫度，受熱面是安全的。實際上這種說法是錯誤的。爐內(nèi)管處于高溫?zé)煔庀蚬軆?nèi)蒸汽強烈傳熱的狀態(tài)下，管子外壁溫度明顯高于管內(nèi)蒸汽溫度。因此，爐內(nèi)管壁溫度才是判斷受熱面是否安全可靠的zui直接的依據(jù)。
　　
　　科學(xué)的檢測手段應(yīng)是在爐內(nèi)受熱管壁上安裝溫度測點直接測量溫度值，但由于爐內(nèi)壁溫測點的安裝技術(shù)復(fù)雜、工藝?yán)щy、誤差難以控制，且使用壽命很短，因此通常是利用爐外測點間接檢測爐內(nèi)壁溫。這是因為爐外單管汽溫與該管位于爐內(nèi)部分的管壁溫度之間有一定的關(guān)系，即可以利用爐外管內(nèi)汽溫（壁溫）來初步近似推算相應(yīng)的爐內(nèi)出口部位管壁溫度水平。
　　
　　接近出口部位的爐內(nèi)受熱管壁溫度總是高于相應(yīng)管子的爐外汽溫，兩者之間的差值受多種因素影響，其中zui主要的影響因素是受熱面管處的熱負荷。熱負荷越高，其對應(yīng)的溫度差值越高。通常，在煙氣溫度場和流速場高、煙氣與管內(nèi)蒸汽溫差大、附近有高溫?zé)煔廨椛淇臻g、能夠直接受到爐膛高溫輻射的部位，熱負荷就相對較高，其對應(yīng)的溫度差值也大。的溫差值應(yīng)通過專門測試或單獨計算獲得，但通常難以做到。對于常規(guī)的監(jiān)視判斷，可參照經(jīng)驗值估算。對流過熱器和再熱器（不包括輻射過熱器和屏式過熱器的外二圈管及夾管，此二部分的差值較大）的差值為20～40℃，即爐內(nèi)出口部位的管壁zui高溫度為相應(yīng)的爐外管內(nèi)汽溫值加上20～40℃。對位于熱負荷較高處的管子計算點，取上限。
　　
　　3.3及時發(fā)現(xiàn)異常并指導(dǎo)運行調(diào)整、檢驗和檢修
　　
　　鍋爐受熱面管在熱態(tài)運行和啟停過程中經(jīng)常會發(fā)生各種異常情況，通過爐外管壁溫度測值能夠及時發(fā)現(xiàn)部分情況，如針對異常熱偏差分析和查找初步原因類別，諸如設(shè)計不當(dāng)、制造缺陷、安裝隱患、運行調(diào)整不合理等，從而逐步找出問題的實質(zhì)所在，直至制定出針對性措施進行解決。如我省一臺亞臨界大型鍋爐曾多次發(fā)生高溫過熱器爐內(nèi)管短期超溫爆破，一時原因不明。不久同類爆管又發(fā)生在一根裝有壁溫測點的爐管上，該點壁溫較其他并列管圈高出數(shù)十度，說明該管爐內(nèi)部分己經(jīng)超溫。經(jīng)對此管割管檢查，發(fā)現(xiàn)彎頭部位存有大量異物，也為前面多次爆管確定了原因。
　　
　　此外，統(tǒng)計和分析爐外壁溫分布和變化趨勢還可以幫助鍋爐檢驗、檢修人員掌握整個受熱面的總體狀況，確定爐管危險范圍以加強監(jiān)督檢查，必要時作為對受熱面進行技術(shù)改造的依據(jù)。
　　
　　四、正確分析爐外管壁溫度測點的可靠性和測量誤差
　　
　　確保爐外壁溫測點能夠長期準(zhǔn)確可靠地工作，以防止引起誤導(dǎo)、誤判造成損失是非常必要的。目前，爐外管壁溫度測量容易出現(xiàn)的問題主要有以下幾類。
　　
　?。?）熱電偶的熱接點與管壁接觸不良。其原因有的屬安裝工藝問題，有的是因為長期運行造成的振動松脫，也有的是因為接點處銹蝕或夾雜異物。其結(jié)果導(dǎo)致熱電偶測量值嚴(yán)重偏低。
　　
　?。?）經(jīng)長期運行，測點處保溫層可能發(fā)生脫落、開裂、破損、疏松或減薄等問題。導(dǎo)致測量值嚴(yán)重偏低。
　　
　　（3）煙氣沖刷引起的測量值偏高。有些爐外測點安裝位置離頂棚太近，保溫工藝又不好，當(dāng)測點處爐頂密封損壞時，漏出的高溫?zé)煔庥锌赡苤苯記_刷熱接點，造成測量值大大偏高。但此情況不多見。
　　
　?。?）熱電偶損壞。由于長期運行或檢修不慎有可能引起熱電偶及其測量系統(tǒng)損壞，對此應(yīng)及時更換和修復(fù)。
　　
　　由以上論述可見，確保爐外壁溫測點的準(zhǔn)確性和可靠性，關(guān)鍵在于要有正確的安裝工藝設(shè)計，嚴(yán)密的施工管理和平時的精心維護。同時在分析管壁溫度測點的工作狀況、查找存在的問題、進行修復(fù)施工及施工驗收時，單靠熱工人員是不夠的，鍋爐專業(yè)人員必須全過程介入其中。