超临界锅炉水冷壁管横向裂纹原因分析

超临界锅炉水冷壁管横向裂纹原因分析

赵坤

华能伊敏电厂 内蒙古呼伦贝尔市 021130

摘要：在改革开放的新时期，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，针对超临界锅炉水冷壁横向裂纹问题，通过对实例电厂锅炉进行调查并对所得数据进行分析，结果表明:横向裂纹产生的主要原因是轴向热应力较大，外部腐蚀性烟气加速了裂纹的扩展，从而缩短了水冷壁管子的使用寿命。

关键词：超临界锅炉;横向裂纹;热应力

引言

国内超临界锅炉快速发展，大批引进技术国产化的大型燃煤电厂相继投产运行，随着各项目的运行时间增加，经历1～2个大修周期后，由于电力调峰、煤种频繁变化等影响，锅炉设计、金属选材等方面的问题逐渐暴露，设备可靠性出现大幅下降的情况。该厂锅炉水冷壁横向裂纹问题，已严重危及机组的长期稳定运行，2015年至今已发生15次爆管事件，且频率呈逐年上升趋势。锅炉发生爆管必须停炉检修，小范围换管一般需要5天以上，不仅损失电量、影响效率，设备还不断经历冷热交替，进一步加剧横向裂纹的发展。针对已产生横向裂纹的水冷壁管屏，通常根据裂纹深度的不同，采取局部换管、打磨堆焊、电弧喷涂等方式进行处理，均是治标不治本。该厂从水冷壁横向裂纹产生机理出发，不仅采取了多专业综合控制措施进行了有效治理，还通过采集多煤种、多工况、全时段的水冷壁实际运行大数据进行拟合研究，并结合锅炉的长期负荷率预测，精准实施了锅炉水动力优化调整。方案实施后，水冷壁运行安全性大幅提高，为机组灵活运行创造了有利条件。

1原因分析

1.1过热原因

分析这两处的金相组织为珠光体球化4级，均有过热特征。经检查，此管所对应的入口节流孔未发现有异物，但检查前墙水冷壁焊口时，发现焊口内根部透入量较大，按相关标准，受热面焊口内透量应小于1．5mm，但个别焊口根部内透量单边最大达4．0mm。焊口根部内透量较大，在焊口处造成通流面积减少，产生节流效应:一方面管内径减少，卡住异物的几率增加;另一个方面通流面积减小，管子下游冷却效果变差，很容易在管子局部发生过热而导致失效。

1.2横向裂纹产生机理

锅炉运行中水冷壁管向火侧表面会逐渐积累氧化层，管壁与氧化层之间存在膨胀系数差，在水冷壁温发生急剧变化时，表面灰渣剥落，氧化层出现裂纹，腐蚀性物质(如硫化物)会渗入氧化层缝隙，腐蚀管子母材。随着机组运行，裂纹不断的扩展。因此横向裂纹主要受3方面因素影响:(1)燃尽风区域为炉内热负荷最高的区域，部分管屏温度较高，材料频繁接近使用限值，导致管屏发生永久形变和热疲劳;(2)受燃料中S含量的影响及低NOx燃烧器配风的需要，局部还原性气氛强，造成硫腐蚀;(3)国内电站锅炉普遍存在变负荷速率快等问题，水冷壁管屏存在较大热偏差，引起频繁的交变应力。

1.3水冷壁管屏的焊接残余应力

水冷壁管屏在焊接过程中，如果未严格按照工艺规范进行焊后热处理，则在管屏的焊缝区域会残留较高的焊接残余应力，根据以前我厂对角焊缝焊接残余应力测定，其最大值约等于焊缝材料的屈服限σs，即许用应力的1．5倍。这些残余应力叠加上述的交变热应力S1和S2后，在鳍片和水冷壁管应力集中区域的应力水平将会更高。

2常规处置措施及大数据分析

2.1介质离心力产生的横向力

分析水冷壁中间集箱出、入管布置方式，在长741．8mm的范围内，介质由于离心力的作用，在上、下两根管子上各作用1个斜向内的合力，这个合力各有一个水平方向的炉内分力。从离心力公式F=(mv2)/Ｒ可以看出，离心力F与管内介质流速v的平方、单位截面上介质的质量m成正比，与半径Ｒ成反比。由于此处小管子的弯曲半径很小，势必增加了离心力，管内介质为单一蒸汽时，这种作用力影响不大，但当介质为汽水两相流时，由于质量的增大，其离心力就不可忽视。当管子炉内表面受拉应力时，会加剧这种拉应力的效果，加快管子失效的速度。

2.2直流锅炉水动力校核步骤

直流锅炉水动力优化的任务是在数据校核的基础上，通过调整节流孔圈规格，使水冷壁在各负荷工况下流量与热负荷相匹配，壁温更加趋于均衡。燃烧侧对于水冷壁的热负荷分布具有非常重要的影响，主要是燃用煤质、配风、送粉的均匀性，变负荷切磨的影响，燃尽风的投运等。因此每台锅炉热负荷的分布遵循一般规律，但都有自己的不同特点。因此需要根据锅炉水冷壁的实际运行情况对节流孔圈规格进行调整。(1)统计不同负荷工况下水冷壁出口工质温度数据，评估流量分布与热负荷的匹配关系;(2)根据流量分布与热负荷分布的偏差，调整节流孔圈规格，使水冷壁温区域均衡;(3)校核水冷壁区域热负荷强度长期分布情况，提高调整方案可靠性。

2.3水冷壁管材料球化时间

超临界锅炉水冷壁采用15CrMoG或12Cr1MoVG材料，两者金相组织均为铁素体+珠光体，长期在高温工况下工作，珠光体就会出现球化现象。珠光体钢球化后，不但材料的室温抗拉强度和屈服限下降，而且蠕变极限和持久强度也同时下降。超过蠕变温度后，承压部件蠕变速度加快，使用寿命缩短。

2.4喷燃器布置方式产生的横向力

每个喷燃器加在水冷壁上的质量约为10t，前后墙各有4个喷燃器，约40t的质量加在水冷壁管上，而喷燃器向外凸出，中心和水冷壁轴线不在一个作用面上，必然产生一个横向力;另外，喷燃器工作时介质向内喷，在反作用力下势必会产生一种向外的横向力。但这两种力的大小及最终的合力是向内、还是向外，还有待于进一步研究。

2.5水冷壁节流孔圈尺寸调整策略

同类型机组一般节流孔圈调整策略是针对局部高温区域进行扩孔，可以有效缓解对应管屏超温，但由于节流孔圈整体呈较大的放大趋势后，维持小孔径的管圈流量就会进一步压缩，从而发生小孔径区域壁温抬升，在低负荷总流量偏低时更加恶劣，不利于启动和低负荷运行阶段水冷壁水动力安全。因此调整策略优化为缩放结合、精准控制方案，以实现水动力更科学分配。

2.6防止水冷壁横向裂纹的调整措施

1）该区域热负荷与节流孔圈管的流量不匹配，根据哈尔滨锅炉厂的计算结果，对水冷壁管的节流孔圈（或重点部位）进行扩孔改造。扩孔后保证水冷壁出口介质温度和壁温，使温度区域平衡，防止管子过热超温。2）通过燃烧器调整，减少火焰偏斜，消除或减少还原性气氛的产生阻止高温烟气在水冷壁壁面的聚集是主要手段。3）利用检修机会对水冷壁进行喷涂处理如果喷涂质量过关的话，可保护水冷壁是一个大修期间安全运行。

结语

通过以上分析和计算数据，我们对超临界水冷壁管产生的横向裂纹得出以下结论:裂纹产生的主要原因是轴向热应力引起的烟气侧管子外壁的热疲劳开裂，炉内的高温腐蚀性烟气又加速了裂纹的扩展，从而缩短了水冷壁管子的使用寿命。根据结论给出的建议是:在制造过程中，要应严格控制生产制造工艺流程进行焊后热处理，尽可能减小水冷壁管屏焊缝的焊接残余应力，使其值在不产生有害后果的范围之内;在运行过程中，要尽量降低水冷壁管间温差，若采用螺旋管圈水冷壁管屏，管屏内热量会更加均衡，有利于减小管间温差;同时，要排除可能引起水冷壁管局部超温的不利因素，如:运行水质不合格引起的水冷壁管结垢，水冷壁管的堵塞等等，来降低水冷壁管内外壁温差.

参考文献

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［2］于程炜．超临界锅炉水冷壁管横向裂纹分析及治理．电力安全技术，2012年．

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[5］蔡晖，殷尊，侯召堂，等．超超临界锅炉水冷壁管典型横向裂纹分析研究［C］//中国电机工程学会年会，2014．