超超臨界鍋爐水冷壁寬鰭片裂紋原因分析及預防處置

孫少波

（國能神福（石獅）發電有限公司，泉州 362700）

鍋爐水冷壁的工作環境十分惡劣，其內部為高溫高壓水或水蒸氣，外部為高溫高速煙氣。煙氣沖刷、焦塊機械損傷、管壁超溫以及蒸汽吹損等都容易造成水冷壁泄漏事故。因為當鍋爐水冷壁發生泄漏事故時，若沒有及時采取有效處理措施，會使泄漏范圍擴大而造成嚴重損失，所以需要及時停機進行消缺處理，是造成機組非停的主要原因之一。因此，水冷壁管失效機理及防治措施的研究對提高火力發電廠安全經濟性具有重要意義[1]。本文著重討論寬鰭片導致水冷壁爆管的主要機理和相關的預防措施。

1 機組概況

某廠鍋爐為3130/27.46-Ⅱ2型正壓直吹旋流對沖燃燒鍋爐。鍋爐為超超臨界參數、一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、采用煙氣擋板調節再熱汽溫、固態排渣、平衡通風、露天布置、全鋼構架以及全懸吊結構的Ⅱ型結構。爐膛為全焊膜式水冷壁，由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁兩個不同的結構組成。螺旋段與垂直段管屏之間由過渡段水冷壁和水冷壁過渡段集箱轉換連接。水冷壁總體布置圖如圖1所示。

圖1 爐膛水冷壁總體布置圖

爐膛采用膜式水冷壁，水冷壁管間采用扁鋼焊接。由于在吹灰器孔、人孔、看火孔以及預留孔位置附近的水冷壁管需要為孔洞讓位，部分區域鰭片會超寬。這部分鰭片在出廠時會打上膨脹縫，并在膨脹縫端部打止裂孔，以防止出現裂紋延伸至母材的情況。它的結構如圖2所示。

圖2中深色區域為超寬鰭片部分，縫隙為出廠切割的膨脹縫。膨脹縫的切割工藝較為粗糙，末端沒有打止裂孔，且部分寬鰭片區域并未按照要求打膨脹縫和止裂孔，可能會導致水冷壁爆管。爐膛部位的燃燒器孔、人孔、吹灰器孔、預留孔以及看火孔分布，如圖3所示。

圖2 吹灰器預留孔區域寬鰭片結構

圖3 水冷壁孔位分布示意圖

2 裂紋檢查

為防止寬鰭片拉裂水冷壁缺陷，在機組C級檢修時進入爐膛檢查高溫區吹灰器孔、觀察孔以及人孔寬鰭片，發現水冷壁鰭片存在裂紋。如果任其發展，裂紋會由于機組長期高負荷運行而延伸至壁管母材，最終造成水冷壁泄漏。

進行裂縫檢測后發現一些鰭片根部出現裂紋，如圖4所示。有些裂紋接近壁管母材，且切割下來的鰭片靠近膨脹縫部位有明顯的超溫痕跡，如圖5所示。

圖4 鰭片裂紋樣貌

圖5 超溫部位樣貌

3 寬鰭片裂紋原因分析

朱加龍[2]等研究多起350～1 000 MW Ⅱ型鍋爐報告的爆管事故后發現，爆管的原因為水冷壁寬鰭片部位撕裂，裂紋延伸至水冷壁管造成泄漏。吹灰器孔一般處在爐膛的高負荷區域，水冷壁讓位管區域鰭片結構不規則、寬度大且冷卻不足，會隨著機組長期高負荷運行產生熱疲勞裂紋，從而造成水冷壁泄漏[3-6]。

水冷壁工作示意圖如圖6所示。爐內燃燒熱主要以輻射方式傳遞到水冷壁表面，再通過金屬傳導至水冷壁管道內，由管內工質通過與管壁間的對流換熱將熱量帶走。

圖6 水冷壁工作示意圖

馮偉忠、石尚達[7-8]等對寬鰭片傳熱模型進行深入研究，提出沿寬鰭片的溫度分布方程：

式中：ta為鰭片中心表面溫度；qR為平均輻射傳熱強度；b為鰭片寬度；λ為導熱系數；h為鰭片厚度；tb為水冷壁管表面溫度（受工質溫度鉗制）。

黃丹[9]等利用Fluent 17.0建立鍋爐膜式水冷壁的二維有限元模型，發現膜式水冷壁溫度最高點在鰭片向火側中心位置，且壁管向火側的溫度高于背火側。鰭片寬度越大，鰭片內部的溫度梯度越大，導致鰭片內部溫度不均造成熱應力較大。

由式（1）可知，降低鰭片中心溫度有兩種思路：一是減小鰭片寬度b；二是增加鰭片厚度h。但是，在電廠實際檢修過程中，如果使用堆焊增加鰭片厚度工作量將十分巨大，而且堆焊的厚度很難精確把控。因此，可以通過割除寬鰭片減小鰭片寬度來降低鰭片中心溫度[10]。

4 預防措施

割除范圍包括吹灰器孔、吹灰器預留孔、觀火孔、火焰監視器孔以及17 m人孔。割除時，先對需要割除區域進行清灰清焦處理，后使用角磨機切割鰭片。寬鰭片割除后，由金屬檢驗隊伍檢查所有切割部位殘余鰭片是否留存有裂紋。若切割后還有裂紋，應使用內磨機進行打孔止裂[11]。若裂紋延伸到母材，則需要繼續磨挖，并根據壁管損傷情況進行補焊或者換管。割除寬鰭片后吹灰器孔附近樣貌，如圖7所示。

由于鰭片形狀不規則，在割除過程中難免存在割傷壁管母材的情況。在割除過程中，若發現有割傷的壁管，應使用超聲波測厚儀測量割傷部位厚度。中部螺旋水冷壁鰭片材質為15CrMo鋼，水冷壁材質為SA-213T2鐵素體熱強鋼（ASME標準），壁厚為7.5 mm。若壁厚小于6.5 mm時應進行補焊，小于5.5 mm則必須換管。

5 結語

改進的鍋爐啟動后，目前還未出現因寬鰭片拉裂管材而造成的泄漏事故。同型機組進行寬鰭片切割后也穩定運行，未再次出現同類型事故。本次寬鰭片割除處理有效降低了水冷壁讓位管區域爆管泄漏的風險，提高了鍋爐高負荷運行的穩定性。