亞臨界鍋爐水冷壁橫向裂紋研究分析

王凱 楊慧峰

摘要：某火電廠一期工程2×330MW機(jī)組分別于2005年10月和2006年5月投產(chǎn)。鍋爐為亞臨界參數(shù)，自然循環(huán)單爐膛，一次中間再熱，平衡通風(fēng)，四角噴然，緊身封閉，固態(tài)排渣，設(shè)計(jì)燃用煙煤。爐膛四周由光管及內(nèi)螺紋的膜式水冷壁組成。鍋爐采用四角切圓燃燒，布置五層煤粉噴管，寬調(diào)節(jié)比，上下濃淡分離擺動(dòng)式燃燒器。水冷壁規(guī)格63.5×7，材質(zhì)SA-210C。在2009年至2017年間發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)水冷壁管高溫腐蝕區(qū)域出現(xiàn)橫向裂紋，為此本文闡述了水冷壁橫向裂紋的產(chǎn)生原因分析。

關(guān)鍵詞：水冷壁管道;高溫腐蝕;橫向裂紋;疲勞開裂

一、水冷壁高溫腐蝕

#2爐2009年開始發(fā)現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕問(wèn)題。經(jīng)過(guò)燃燒器改造、水冷壁噴涂等治理手段，水冷壁高溫腐蝕得到緩解，但高溫腐蝕從未停止過(guò)，自2017年至2021年3月，#2爐累計(jì)更換高溫腐蝕減薄超標(biāo)水冷壁管3214米。

二、水冷壁橫向裂紋

1、橫向裂紋初期：早在2015年#2機(jī)組檢修進(jìn)行防磨防爆檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)燃燒器區(qū)域水冷壁高溫腐蝕區(qū)域管子外壁存在“橫向裂紋”，尤以爐膛#2角、#4角較為嚴(yán)重，由于當(dāng)時(shí)對(duì)橫向裂紋的認(rèn)識(shí)不足，且深度很淺運(yùn)行中發(fā)展緩慢，因而未引起高度重視。

2、橫向裂紋擴(kuò)展：在2017年#2爐檢修期間發(fā)現(xiàn)水冷壁橫向裂紋擴(kuò)展，對(duì)存在裂紋的管子取樣，割下的管子進(jìn)行檢查肉眼可見存在多處裂紋，對(duì)裂紋區(qū)域縱面剖開，滲透檢查，多數(shù)深度在0.5-1.0mm之間，個(gè)別深度達(dá)1.5-2.5mm，占壁厚的36.8%。

三、原因分析及采取措施

1、水冷壁高溫腐蝕原因初步分析

（1）煤質(zhì)含硫量增加，是導(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕加劇的主要原因。

根據(jù)該電廠運(yùn)行規(guī)程燃煤成分及特性，四臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)含硫量為≦0.83%，校準(zhǔn)基硫0.91%，而從近幾年燃煤硫份均在1.5%左右，最高1.6%，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，含硫量1.0%以下的煙煤很少發(fā)生水冷壁高溫腐蝕;含硫量在1.2%-1.5%，水冷壁高溫腐蝕速率1.5-3mm/萬(wàn)h;含硫量大于1.5%，水冷壁管高溫腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重，部分腐蝕速率達(dá)2.6mm/萬(wàn)h。

（2）低氮燃燒器改造，燃燒器區(qū)域的低氧燃燒運(yùn)行方式，導(dǎo)致水冷壁腐蝕加劇，是近年來(lái)水冷壁高溫腐蝕的重要原因之一。

低氮燃燒器改造后易造成主燃燒器去出現(xiàn)局部的低氧燃燒，形成局部的還原性氣氛，造成水冷壁表面的高溫腐蝕。

DL/T612-2017第6.11.2條款：采用低氮燃燒技術(shù)的鍋爐水冷壁宜采用防止高溫腐蝕措施。

采用低氮燃燒技術(shù)的鍋爐，由此引發(fā)的問(wèn)題是可能導(dǎo)致水冷壁出現(xiàn)高溫腐蝕，特別是前后墻對(duì)沖燃燒的鍋爐，該電廠鍋爐爐膛斷面尺寸為14048mm×12773mm的長(zhǎng)方形，高溫腐蝕區(qū)尤以#2角前墻和#4角后墻最為嚴(yán)重，目前水冷壁側(cè)墻也已出現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕問(wèn)題。

（3）水冷壁噴涂質(zhì)量差，防護(hù)效果差，也是導(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕加劇的原因之一。

2、水冷壁橫向裂紋原因產(chǎn)生分析

（1）橫向裂紋特征：產(chǎn)生于水冷壁爐膛內(nèi)管道的外壁，沿長(zhǎng)度方向存在多條平行的肉眼可見裂紋并垂直于裂紋的方向擴(kuò)展，屬于典型的疲勞裂紋（腐蝕性熱疲勞），裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。

（2）橫向裂紋產(chǎn)生機(jī)理：

主燃燒器和燃盡風(fēng)標(biāo)高區(qū)域，壁面熱負(fù)荷高，而吹灰器附近管道由于吹灰頻繁和吹灰槍管帶水的原因，使得此三個(gè)區(qū)域工質(zhì)參數(shù)和傳熱特性變化劇烈，且變化頻繁。為橫向裂紋高發(fā)區(qū)，是產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)原因。

機(jī)組點(diǎn)火啟動(dòng)停爐、深度調(diào)峰、升降負(fù)荷等工況下，爐內(nèi)水冷壁管道外壁收到冷-熱交變應(yīng)力影響，再狡辯應(yīng)力的反復(fù)作用下，造成塑性變形損傷的積累，從而在爐內(nèi)水冷壁管道外壁產(chǎn)生裂紋，并由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。

H2S等腐蝕性物質(zhì)沿管子外壁的“微裂紋滲入”侵蝕母材，又加劇了水冷壁高溫腐蝕區(qū)域微裂紋的發(fā)展，故此類裂紋稱為“腐蝕性熱疲勞裂紋”。

個(gè)人認(rèn)為高溫腐蝕不是橫向裂紋產(chǎn)生的主要原因，但是起到了加速的作用。

3、水冷壁裂紋分析

金相分析結(jié)果顯示管養(yǎng)裂紋區(qū)域組織均為鐵素體加珠光體，組織正常。管樣向火面（爐內(nèi)側(cè)）外壁均可見穿晶型裂紋，由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物。

4、水冷壁橫向裂紋采取措施

（1）機(jī)組深度調(diào)峰升、降負(fù)荷時(shí)，應(yīng)盡可能控制升降負(fù)荷的速率，以減少拉應(yīng)力對(duì)水冷壁管子的損傷。

（2）結(jié)合防磨防爆檢查對(duì)高溫腐蝕區(qū)域和吹灰器附近的水冷壁管子進(jìn)行重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)異常采取有效措施，對(duì)存在橫向裂紋的管子盡可能更換。

（3）換管焊接時(shí)，防止對(duì)口間隙過(guò)大，采取控制對(duì)口間隙，采用小電流等措施減少焊接應(yīng)力，盡量降低焊接應(yīng)力對(duì)存在高溫腐蝕橫向裂紋管子的影響，防止橫向裂紋擴(kuò)展。

（4）換管時(shí)對(duì)舊管子側(cè)管口及附近區(qū)域打磨進(jìn)行表面探傷，將存在的橫向裂紋徹底清除，防止其焊接時(shí)擴(kuò)展。

（5）通過(guò)燃燒調(diào)整等措施盡可能壁面或減少水冷壁高溫腐蝕，新版DL/T612-2017中第13.5.4新增條款：加強(qiáng)鍋爐燃燒調(diào)整，改善貼壁氣氛，壁面高溫腐蝕。鍋爐采用主燃燒區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)低于1.0的低氮燃燒技術(shù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)貼壁風(fēng)氣氛監(jiān)視，C級(jí)及以上檢修時(shí)應(yīng)檢查鍋爐水冷壁管高溫腐蝕情況

5、結(jié)語(yǔ)

（1）、據(jù)資料介紹，近幾年無(wú)論超超臨界、超臨界還是亞臨界均出現(xiàn)水冷壁管外壁橫向裂紋，分析認(rèn)為其形成原因時(shí)腐蝕性疲勞所致。

（2）超超臨界、超臨界較亞臨界鍋爐水冷壁管外壁橫向裂紋的形成速度快;對(duì)于亞臨界鍋爐，水冷壁高溫腐蝕區(qū)存在的細(xì)橫向裂紋，運(yùn)行中發(fā)展緩慢，僅在較大的應(yīng)力狀態(tài)下裂紋才加劇擴(kuò)展。

（3）水冷壁橫向裂紋檢查（表面探傷）費(fèi)工費(fèi)時(shí)，清理難度大。應(yīng)尋找更簡(jiǎn)便、有效的檢驗(yàn)方法。

（4）應(yīng)從燃燒調(diào)整等運(yùn)行方式尋找較為徹底的解決方法。

（5）橫向裂紋事關(guān)鍋爐安全運(yùn)行，是目前需要迫切解決的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)引起高度重視。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)家能源局.DL?612-2017?電力行業(yè)鍋爐壓力容器安全監(jiān)督規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2017.

[2]侯錫瑞.電站鍋爐壓力容器壓力管道安全技術(shù)[M].北京：電力出版社，2005

作者簡(jiǎn)介：王凱，男，1985-，漢，寧夏銀川人，本科，工程師，研究方向：火電廠金屬材料