余热锅炉过热器管壁温度异常升高的故障排查与处理

在工业节能减排的关键环节中，余热锅炉作为回收工业生产余热的核心设备，对降低企业运营成本、实现绿色生产具有重要意义。其中，过热器作为将饱和蒸汽转化为过热蒸汽的核心组件，其运行状态直接影响整个系统的能效与安全。一旦过热器管壁温度出现异常升高，不仅会大幅降低设备运行效率，更可能引发一系列严重的安全事故。本文将结合典型工程案例，系统阐述过热器管壁温度异常升高的故障排查与处理方法，为工业从业者提供实用技术参考。

一、故障现象与潜在危害

某大型石化企业的余热锅炉在运行期间，DCS 系统频繁触发高温报警，显示过热器出口段管壁温度持续突破设计限值，至高达到 580℃（设计值为 540℃）。与此同时，操作人员监测到蒸汽侧压降显著增大，过热蒸汽温度出现剧烈波动。停机检修后发现，管排局部氧化皮厚度达 0.3mm（正常应＜0.1mm），部分管段甚至出现蠕变胀粗现象。

这种异常温升若未及时处理，将带来多重严重后果：从材料性能层面，钢材在高温环境下，每超温 10℃，其持久强度寿命将缩短一半，加速管材老化；在蒸汽系统方面，氧化加剧会导致汽轮机叶片结垢，大幅降低机组效率；严重的情况下，可能引发受热面爆管，造成非计划停机，据估算，单次事故直接经济损失可达 200 万元以上。

二、系统性故障排查流程

为精准定位故障根源，我们采用“五维诊断法”，从烟气侧、蒸汽侧、结构设计、运行参数、检测技术五个维度展开全面排查。

（一）烟气侧传热性能诊断

1. 积灰结渣机制分析

通过红外热成像检测发现，高温段管排背火面与迎风面温差高达 35℃（正常＜15℃），初步判定存在积灰问题。进一步进行吹灰效果验证，声波吹灰后烟气压降瞬时下降 120Pa，但 48 小时内又恢复原状，表明不仅存在积灰，还伴有熔融态结渣现象。

针对这一问题，采取“声波 + 蒸汽” 复合吹灰技术，将蒸汽压力提升至 1.2MPa，吹灰频次调整为每 2 小时 1 次；同时，在管排表面喷涂纳米陶瓷抗结渣涂层，使灰熔点降低 30℃，有效延缓了结渣进程。

2. 烟气流场均匀性优化

使用皮托管实测入口烟气流速，发现流速不均度达 22%（设计要求＜10%），局部高速区流速高达 28m/s。借助 CFD 仿真技术验证，确定是导流板角度偏差 15°，导致烟气偏流，进而引发局部磨损与热负荷集中。

为此，加装可调式导流格栅，将流速不均度成功控制在 8% 以内；在高温区管排增设 5mm 壁厚防磨套管，显著提升管排抗冲刷能力。

（二）蒸汽侧流动特性优化

1. 流量分配均衡性排查

对同组管排流量数据进行分析，发现流量差异达 18%（设计允许偏差 ±5%），低温段单管流量仅 0.8t/h。通过内窥镜检查，发现投产时遗留的焊渣堵塞管径达 30%，导致流量分配失衡。

解决方案为安装流量平衡阀，动态调节管组压差至＜0.05MPa；同时建立“通球试验 + 内窥镜” 双重检测机，从源头上杜绝施工残留隐患。

2. 蒸汽品质影响评估

水质分析报告显示，蒸汽中钠含量 15μg/kg（标准＜5μg/kg）、二氧化硅含量 20μg/kg（标准＜10μg/kg），存在盐类沉积风险。垢样成分检测通过 X 射线衍射证实，管内壁存在 NaFe₃(SO₄)₂复盐结晶，表明发生酸性腐蚀。

治理措施包括将连续排污率提升至 0.8%，强化炉水净化；增设冷凝水精处理装置，严格控制蒸汽杂质含量。

（三）结构设计缺陷复核

1. 管材适应性验证

金相组织分析显示，管壁珠光体球化达 2.5 级（设计要求≤2 级），材料许用应力下降 12%。热流密度仿真表明，原设计未充分考虑管排间距偏差，导致局部热流密度超设计值 15%。

应对方案是将高温段管材更换为 SA-213T91，许用温度提升 80℃；同时优化管排间距至 75mm，使热流均匀性提升 20%。

2. 支吊系统功能性检测

监测发现管排实际膨胀量仅 18mm（设计值 25mm），检查确定是导向支架卡涩导致位移受限。应力分析表明，膨胀受阻引发热应力集中，进一步加剧管壁温度异常。

改造措施为更换高温合金钢滑动支座，间隙调整至 3mm，确保管排自由膨胀；加装膨胀节位移传感器，实现异常变形实时预警。

（四）运行参数优化策略

1. 燃烧工况匹配性调整

烟气成分分析显示，过剩空气系数达 1.35（设计值 1.2），导致排烟温度升高 15℃。在 30% 低负荷运行时，烟温波动幅度达 ±50℃，造成管壁温度剧烈变化。

解决方案是投用燃烧自动控制系统，将过剩空气系数精准控制在 1.15±0.05；增设省煤器旁路调节装置，将低负荷烟温波动控制在 ±20℃以内。

2. 智能吹灰系统升级

传统定时吹灰方式导致壁温骤降 80℃，产生较大热应力冲击。通过技术创新，采用集成壁温、烟压、负荷三参数的模糊控制算法，实现吹灰时序动态调整。优化后，吹灰频次降低 30%，壁温波动幅度收窄至 ±20℃。

（五）检测技术体系升级

在检测技术方面，构建了完善的在线与离线监测体系：

在线监测：部署光纤测温传感器（精度 ±1℃），实现 200 + 测点实时监控；安装声波式积灰厚度检测仪（分辨率 0.5mm），实时预警积灰情况。

离线检测：采用脉冲涡流技术快速筛查管壁减薄（较小检测 0.2mm 壁厚损失）；建立超声相控阵检测数据库，实现缺陷三维成像与量化分析。

三、分阶段处理实施路径

1. 紧急处置阶段（24 小时内）

发现故障后，立即开展全系统内窥镜检查，清除管内异物及残留焊渣；同时全面校验温度传感器，更换误差＞2% 的检测元件，确保监测数据准确可靠。

2. 中期改造阶段（15 天周期）

完成导流板角度修正及防磨套管加装，优化烟气流场；升级智能吹灰控制系统，实现吹灰策略智能化动态调整。

3. 长效预防机制

建立“壁温 - 参数 - 检修” 联动模型，设定三级预警阈值（黄色 530℃、橙色 550℃、红色 570℃）；实施年度材质监督计划，定期开展硬度检测、金相组织抽查及蠕变损伤评估，实现设备状态长期有效监控。

四、经济效益量化分析

某钢铁企业应用上述方案后，取得显著经济效益：

壁温波动范围从 ±50℃收窄至 ±15℃，热应力损伤风险降低 70%；

年非计划停机次数从 3 次降为 0 次，避免停机损失 600 万元；

蒸汽产量提升 3%，年增蒸汽产值 200 万元；

设备寿命周期从 8 年延长至 11 - 13 年。综合计算，每年可实现节能增效与停机损失节约共计800 万元。

五、结论与工程建议

过热器管壁温度异常升高是多因素耦合导致的复杂故障，排查时需遵循“烟汽双侧协同、结构运行兼顾”原则。建议工业企业：

构建设备全生命周期管理系统，集成设计参数、运行数据及检修记录；

推广预测性维护技术，利用大数据分析实现材质劣化提前 6 - 12 个月预警；

在新建项目中采用数字化设计，通过虚拟仿真优化受热面布置与流场设计。

通过系统化诊断与精准治理，可有效控制过热器壁温异常问题，为余热锅炉长周期安全经济运行提供坚实技术保障，助力工业企业实现节能减排与降本增效的双重目标。