引言
某园区是华东重要的化学工业园区，聚集了众多在国际上有影响力的化工企业，由于化工企业对蒸汽品质有着极高的要求和可靠性保证，本着节能、环保、减碳和资源循环利用这一原则，该园区采用了集中供热模式。
1 锅炉概况
某项目新建一台75t/h燃气锅炉及其附属设施作为向园区供热的备用系统。锅炉由炉膛区、对流区、以及通过烟道相连的节能器和冷凝器等模块组成，配置低氮燃烧器，正压燃烧。
锅炉汽水流程为：除盐水-冷凝器-除氧器-上锅筒-炉膛区-下锅筒-上锅筒-过热器进口集箱-过热器中间集箱-过热器汇集集箱-过热器出口集箱-供热管网。
锅炉风烟流程为：消音器-鼓风机-地下风道-燃烧器-炉膛区-对流区-烟道（先后经过节能器、冷凝器）-烟囱。
锅炉在点火调试期间出现了较为剧烈的振动，同时存在过热器管束泄漏、燃烧器耐火结构破损等问题。经过原因分析及系统恢复、优化，该项目锅炉已投入正常稳定的商业运行。
2 事件描述
锅炉所有受热面及相关管道安装完成后，顺利通过整体水压试验，烘煮炉期间系统无异常。紧接着在燃烧器点火调试过程中，负荷升至30%～40%时，工业电视画面显示火焰变得极不稳定，有回火现象。同时锅炉炉膛区开始出现较大振动，炉膛区上部与烟囱相连的烟道振动明显。振动持续一段时间后，现场发现过热器入口集箱疏水管与上部保温护板相接处、减温器入口弯头处有蒸汽冒出，随即紧急停炉。
待炉温降低后，拆开过热器入口集箱底部保温护板和减温器入口弯头保温并给过热蒸汽系统充水，集箱底部有水流持续漏出，低温过热器出口集箱至减温器的管道弯头处亦存在裂纹并有水渗出。进一步将过热器集箱区域保温护板全部拆除，并对锅炉内外仔细检查，情况如下：
（1）过热器集箱换热管区域存在多处泄漏。与低温过热器出口集箱相连的换热管束，存在6处明显泄漏，裂纹环向、纵向不规则分布；低温过热器出口集箱测温套管焊缝根部存在明显裂纹；与高温过热器出口集箱相连的顶部换热管，存在1处明显泄漏，2处轻微渗漏。
（2）低温过热器出口集箱至减温器的管道弯头处，存在5cm左右的环向裂纹。
（3）过热器耐火混凝土密封存在多处裂纹。
（4）减温器U形管道在炉膛顶部的滑动支座位移约2cm。
（5）锅炉底座处的二次灌浆层存在破损开裂情况。
（6）炉内检查发现燃烧器喷口处耐火结构已局部破损，破损高度152mm，长度约450mm。
3 原因分析
3.1 管道受损原因
将低温过热器出口集箱与减温器之间的法兰螺栓取下，让管口恢复至自由状态后，两法兰面存在较大的径向偏差。即安装减温器所在的U型管道时进行了强力对口。
排除减温器自身振动的可能。该锅炉减温器采用标准喷水减温器结构，内置固定可靠，低负荷下喷水量有限，不会形成汽水冲击造成掉落，且调试运行过程中未出现金属碰撞声音。
经第三方检测机构取样分析，首先确认制造材料未错用，对钢管的化学成分、金相组织和硬度进行了检测，排除了钢管材质异常的因素。过热器换热管材质为15CrMoG，根据标准要求，该材质用于受热面管子时，适用于560℃以下。此次换热管泄漏区域全部在烟道外侧，不与烟气接触，管道内蒸汽介质参数最高为240℃，完全在换热管材质允许的工作范围内；减温器处弯头为#20钢，适用于430℃以下。此前包括水压试验在内的锅炉内介质最高压力均不大于1.8MPa，产生的应力远低于管道屈服强度，因此排除超温超压导致泄漏的可能。
炉膛的剧烈振动，使顶部减温器管道作无规律的上下振动，这在减温器弯头处产生较大的集中应力，与强力装配造成的应力叠加，使得弯头局部应力过高产生裂纹。经了解换热管常温弯制后未进行应力消除或回火处理，在内外弧处不可避免地存在较大的残余应力，这会给应力腐蚀提供条件。内壁检查发现开裂区域存在水垢和腐蚀产物残留，推测在水压后的存放期间，换热管内发生了应力腐蚀。减温器的作用力会传递到整个过热系统，从过热器的集箱至换热管产生应力集中。应力集中和应力腐蚀的双重作用造成换热管损坏。试件裂纹形态具有典型的沿晶和疲劳特征，进一步证明管束受到了瞬时荷载的冲击。
3.2 锅炉振动原因
锅炉出现振动时风机频率约20Hz，认为风机频率设定偏低是问题所在。风机风量变化与转速比的一次方成正比，风压变化与转速比的二次方成正比。当风机频率下降时，风机出口的压力平方地下降，压头不足，加之尾部烟道与烟囱的连接设计阻力较大，共同作用使得烟气无法克服锅炉及尾部受热面的阻力，不能顺畅排出，造成喘振，燃烧脉动。
为验证尾部烟道与烟囱连接的设计合理性，以额定工况下的烟气参数为计算边界，经计算机数值模拟，发现直烟道与烟囱交接处存在局部负压区，对应的烟囱中心流速过高，流场紊乱（图3-1）。
图3-1 锅炉尾部烟气流场模拟
4 问题处理
针对锅炉振动造成的各处损伤，以及分析得出的设计缺陷、调试参数问题，现场进行以下处理：
（1）更换受损的过热器换热管及减温器弯头，使汽水系统恢复。
（2）修复燃烧器缺损的耐火结构。由于燃烧器为整体进口，更换耐火结构周期较长，为不影响调试，现场采用临时措施予以修复，待新的耐火结构到场后更换。
（3）减温器所在的U型管道支撑改造。将减温器管道支撑改为固定于对流区顶部并采用抱箍连接，使得减温器管道不与炉膛区关联且保证可以自由伸缩。
（4）尾部烟道改造。扩大烟道与烟囱连接处截面，同时在烟囱底部设置导流板，优化烟气流场。对改造方案进行30%、50%、100%额定负荷下热态模拟，结果如图4-1所示，流场较改造前有了明显优化，满负荷时烟气中心流速也已降到合理范围之内。
30% 50% 100%
图4-1 改造后尾部烟气流场模拟
（5）提高风机频率，使风机出口风压升高。具体为30%负荷下风机频率调整至22Hz，40%负荷下风机频率调整至25Hz。由于风机频率提高会使风量增加，导致氧量升高，故还应设法抑制风量。燃烧器入口风门执行器原设计为开关型，为实现调节风量的功能更换为调节型执行器，并修改DCS控制策略，使得在燃烧器低负荷时，增加风机频率的同时，通过燃烧器入口执行器控制风门开度，调节进入燃烧器的风量，保证风压与风量满足要求。
5 结语
燃气锅炉振动往往是燃烧及烟风系统问题造成。本例中由于调试参数设定不当及烟道设计型式缺陷，造成锅炉产生较大振动，加之过热器管束的应力腐蚀和减温器支座问题，共同导致过热器管束破损和减温器管道焊缝损坏，剧烈的振动还造成了燃烧器耐火结构的破损。
参考文献
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