超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋分析及治理

于程煒

(天津國華盤山發電有限責任公司，天津 301900)

超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋分析及治理

于程煒

(天津國華盤山發電有限責任公司，天津 301900)

針對鍋爐下輻射區Ⅱ段水冷壁管向火側母材存在大量橫向裂紋造成泄漏的情況，對有裂紋的水冷壁管進行了失效分析。結果表明：熱應力引起煙氣側外壁向內壁的熱疲勞是水冷壁開裂的誘因，同時高溫硫腐蝕加速了損壞。結合鍋爐運行的實際情況，指出鍋爐水吹灰是造成橫向裂紋的直接原因，并對其進行了相應改造，徹底解決了水冷壁橫向裂紋的問題。

水冷壁；橫向裂紋；原因分析；治理

1 概述

1.1 機組簡介

某電廠安裝2臺從前蘇聯成套引進的500 MW超臨界燃煤發電機組，此機組由莫斯科火電設計院和華北電力設計院聯合設計。鍋爐為俄羅斯波道爾斯克奧爾忠尼啟澤機器制造廠制造的Пп-1650-25-545К Т(П-76型)超臨界壓力、直流、一次中間再熱、平衡通風的固態排渣煤粉爐，其主要設計參數如表1所示。

表1 鍋爐的主要設計參數

鍋爐設計為室內布置，單爐膛全懸吊結構，左右兩側各有一對流豎井，爐本體呈“T”型結構。爐膛斷面為23 080 mm×13 864 mm矩形，爐膛四壁為Φ32×6-12Cr1MoV的膜式水冷壁。鍋爐一、二次汽水以爐膛前、后墻中心線為界分為左、右對稱的獨立流程，每個流程的給水、汽溫調節相互獨立。爐膛受熱面為垂直往復一次上升布置，標高44.7 m以上為上輻射區，標高44.7 m以下為下輻射區。下輻射區前、后墻分別有6個組件，兩側墻各有10個組件，前后墻相鄰的3個組件與側墻的半個組件組成下輻射Ⅰ，側墻每4個組件與相鄰的半個組件構成下輻射Ⅱ；上輻射區前后墻各有6個組件，組成上輻射Ⅰ，兩側墻各有10個組件，組成上輻射Ⅱ。每個組件均由48根水冷壁組成。

一次汽水流程由省煤器、下輻射Ⅰ、下輻射Ⅱ、上輻射Ⅰ、上輻射Ⅱ、汽-汽交換器、頂棚和包墻受熱面、內置閥門、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級屏式過熱器和高溫過熱器組成。在鍋爐的2個流程中，給水進入省煤器前設有旁路，即21 %旁路，此旁路設有截門，在下輻射Ⅱ入口與主給水匯合，其目的是減小下輻射Ⅰ和下輻射Ⅱ的出口工質溫差，從而降低下輻射Ⅰ和下輻射Ⅱ相鄰管之間的應力，但這也降低了下輻射Ⅰ工質的質量流量。

二次汽水流程由汽-汽交換器、冷段再熱器、熱段再熱器組成。沿煙氣流程在爐膛頂部及水平煙道內布置有3組屏式過熱器、高溫對流再熱器、對流過熱器，對流豎井內布置有低溫再熱器、省煤器。

鍋爐共有8套制粉系統，8臺ZGM-95G型中速輥式磨煤機(每臺自帶4只旋流燃燒器)，分4層布置，每層共8只，分列于左、右側墻形成對沖燃燒方式。

1.2 存在的缺陷

2008年6月和9月，在對1號鍋爐進行防磨防爆檢查時發現：下輻射區Ⅱ段水冷壁管向火側母材存在大量橫向裂紋，且已造成泄漏。發生泄漏的管子為1號爐下輻射區II段水冷壁管，標高38 m，位于熱負荷最高區域，材質為12Cr1MoV，規格為Φ32×6 mm。該部位介質溫度450 ℃、壓力27.8 MPa，運行時間88 000 h左右。此缺陷對水冷壁的正常工作帶來嚴重隱患。

2 檢驗標準

火電廠金屬管壁的檢驗標準如下：

(1) GB5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》；

(2) DL/T438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》；

(3) GB/T231.1—2002《金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法》；

(4) GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》；

(5) DL/T884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》；

(6) DL/T939—2005《火力發電廠鍋爐受熱面管監督檢驗技術導則》。

3 試驗內容

3.1 宏觀檢查

對管子進行宏觀檢查發現：該失效水冷壁管的向火側表面為紅色結垢特征，整個表面分布大量平行的橫向條紋，主爆口為貫穿整個向火側橫向穿透裂紋，裂紋呈縫隙狀，張口較小，裂紋附近基本無塑性變形。背火側無垢樣堆積，但主爆口背面表層腐蝕產物有密集條紋特征。

對電廠已解剖的1號、2號管樣的剖面觀察發現：在向火側外壁有大量的橫向微裂紋，裂紋走向從外壁向內壁直線擴展，有較明顯的向火面熱疲勞裂紋特征，如圖1所示。

3.2 硬度檢驗

依據GB/T 231.1-2002《金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法》進行布氏硬度測量。采用HBRVU-187.5型布洛維硬度計，試驗條件：鋼球直徑2.5 mm，負荷P＝187.5 kg，負荷保持時間10 s。試驗過程中，試樣表面光滑、平坦、無氧化皮和污物。

圖1 裂紋表面形貌

對金相表面進行硬度測量時，確保對壓痕直徑進行精確測量。對爆口處A環樣和1號樣的硬度統計結果如表2所示。

表2 布氏硬度測試結果HB

試驗結果表明：A樣及1號樣硬度值均滿足DL438的控制范圍，爆口處的硬度與遠離爆口處的硬度相當，爆口附近材質仍保持較高硬度。

3.3 拉伸檢驗

依據GB/T228-2002，在MTS-810電液伺服試驗機上進行拉伸檢驗。選取試樣背火面進行檢驗，加載位移速率2 mm/min，條件屈服強度使用引伸計測定，采用弧形試樣，并保留試樣原始表面狀態，試驗結果如表3所示。

表3 室溫拉伸強度

結果表明：送檢材質的拉伸強度、塑性均滿足GB5310和DL438的要求。

3.4 金相檢驗

依據DLT884—2004對管樣進行金相檢驗，主要觀察了爆口處、遠離爆口處的顯微組織結構。

金相檢驗結果表明：爆口及遠離爆口處的基體組織為鐵素體、珠光體和少量貝氏體，珠光體片層分散但仍保持原區域形態存在，老化2級。

在向火面存在大量的橫向裂紋，多數裂紋形態為楔形，從外壁向內壁擴展。裂紋區域內存在氧化腐蝕產物，部分裂紋端部為圓鈍形；另有部分裂紋底部呈現尖銳裂紋擴展，裂紋擴展形式為穿晶特征。背火面的內外壁未發現裂紋。此種“開裂→鈍化→開裂”的形式為明顯的腐蝕性熱疲勞裂紋特征。1號向火側有縱向外壁裂紋和主裂紋，如圖1所示。組織檢驗結果如表4所示。

圖2 1號向火側的縱向外壁裂紋和主裂紋

表4 組織檢驗結果

3.5 掃描電鏡觀察

利用Tescan掃描電鏡，觀察試樣外表面和金相樣。為進一步觀察完整的失效斷口，在斷口的裂紋尖端附近解剖，并將斷口置于液氮淬冷掰斷后再觀察斷口。掃描電鏡結果發現：在原斷口上雖有高溫氧化后的特征，但仍可觀察到大量的腐蝕疲勞弧線特征。疲勞特征從外壁向內壁延伸，部分區域有二次裂紋和腐蝕坑特征，如圖3～6所示。

圖3 向火側外壁——爆口附近外壁垢樣特征

圖4 金相樣——爆口附近外壁垢樣特征(150×)

圖5 局部有二次裂紋裂紋特征(509×)

圖6 部分區域有腐蝕特征(566×)

3.6 能譜分析

在掃描電鏡觀察的基礎上，對失效管外壁的垢樣及裂紋處的成分進行能譜分析。

試驗儀器：TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡、EDAX GENESIS 2000X Ray能譜儀。

分析方法：半定量。

對向火側表層垢樣成分進行分析，結果表明：主要為煙灰成分，且含有較高濃度的硫元素。

對A樣外壁裂紋區域內成分進行能譜分析時發現：該區域內存在一定濃度的硫、氧等腐蝕性元素，對某裂紋內壁擴展的區域成分進行能譜掃描，如圖7所示。

圖7 某裂紋內壁區域的能譜掃描

掃描結果表明：硫、氧等元素的濃度逐漸降低，但仍保持較高濃度范圍，其具體結果如表5所示。

表5 裂紋內各測點對應的成分含量Wt %

4 結果分析

對泄漏的水冷壁管進行綜合檢驗并進行分析。

對各部位的金屬材質檢驗，其結果表明：所用管材拉伸強度、塑性均符合GB5310和DL438技術條件要求，背火面的抗拉強度在520 MPa，爆口附近硬度無變化，管材硬度大致為HB160；金相組織為鐵素體、聚集形態珠光體，金相組織正常，材質處于老化的初、中期階段。

對水冷壁失效管段的力學性能和組織檢驗，其結果表明：所用管材無原始質量問題，材質也未明顯受到短時或長時過熱的影響。

對爆口的宏觀檢驗表明：該失效水冷壁管的向火側表面為淡紅色結垢特征，在整個向火側表面分布大量的橫向條紋，主爆口為貫穿整個向火側的橫向穿透裂紋；主爆口背面的氧化皮宏觀有密集條紋特征，但金屬基體無裂紋。

對裂紋的微觀檢驗結果表明：在向火面存在大量平行的橫向裂紋，多數裂紋形態為楔形，從外壁向內壁擴展，裂紋內存在氧化腐蝕產物，主裂紋附近的金屬有氧化特征；部分裂紋端部呈圓鈍形，且部分裂紋底部有尖銳裂紋擴展，裂紋擴展形式為穿晶特征。這種形式的裂紋說明：當熱應力較小時，以氧化腐蝕為主，此時裂紋擴展較慢、裂紋端部為圓鈍狀；當熱應力增大時，裂紋快速穿晶擴展，底部出現尖銳的裂紋。此種“開裂→鈍化→開裂”的形式為明顯的腐蝕性熱疲勞裂紋特征。從裂紋表現形式可知：應力因素在裂紋開裂中的作用要大于腐蝕因素。

對向火側表層的垢樣成分分析，其結果表明：該垢樣主要為煙灰成分，且含有較高濃度的硫等腐蝕性元素。

材質性能及金相結果表明：材質運行階段受到了較嚴重的腐蝕性熱疲勞，從而導致水冷壁泄漏。腐蝕性熱疲勞是材料在循環載荷和腐蝕環境協同、交互作用下，因開裂或斷裂提前失效的現象。從裂紋的宏觀、微觀表現形式反映，應力因素在本次水冷壁裂紋開裂中的作用要大于腐蝕因素。

5 對水吹灰分析

通過上述分析可知，熱應力因素是導致該鍋爐水冷壁產生橫向裂紋的主要因素，只有降低或消除熱應力，才能從根本上解決橫向裂紋問題。

該爐共有8臺克萊德貝爾格曼公司生產的WLB-90型水力吹灰器，分別安裝在水冷壁標高33 m處爐膛四角和水冷壁標高18.6 m處爐膛四角，其作用是清除燃燒褐煤的鍋爐在爐膛水冷壁上形成的結焦，并通過一束集中的水柱穿過爐膛并撞擊爐墻上結焦區域來實現清掃效果。該吹灰器安裝在一個連接箱上向著爐膛的開孔中的萬向節里。吹灰管通過導軌在水平和垂直方向上移動，其特殊噴嘴所產生的水柱在對面爐膛形成一條蜿蜒的軌跡，程控系統確保吹掃曲線能夠適應爐膛的幾何形狀，并能控制供水系統及實現整體監控功能。吹灰系統取用消防水作為水源，在正常情況下消防水溫度常年保持在10～20 ℃之間。

水吹灰是指在鍋爐運行中利用常溫水噴至水冷壁表面，使高溫的水冷壁管和管表面的積灰和結焦急速冷卻收縮，從而促使積灰和結焦迅速脫落，以保證水冷壁管表面潔凈，提高換熱效率。在吹灰水噴至水冷壁表面時，水冷壁表面被急劇冷卻而收縮，產生很大的拉應力，這就是造成該區域水冷壁表面熱應力的根本原因。因此，取消水吹灰是解決該區域水冷壁表面熱應力的根本辦法。但是，通過對積灰結焦情況和鍋爐爐膛火焰燃燒的分析表明，采用其他的吹灰方式不可能達到吹灰的基本要求，難以保證鍋爐的穩定運行。

雖然水吹灰不能夠改變，但減少吹灰頻率和吹灰水流量也可降低對水冷壁表面的沖擊，從而減小熱應力，降低熱應力的頻次，減少橫向裂紋。

基于以上的分析，檢修人員與運行人員對水吹灰頻次和水吹灰流量進行了調整，其次數由調整前的1天2次改為2天3次；同時調整了水吹灰噴嘴的直徑，將每天水吹灰的耗水量降至49.8 %。調整后的水吹灰，不僅保證了鍋爐穩定運行的需要，還消除了相應區域中橫向裂紋的產生。

6 結束語

失效分析認為：水冷壁管橫向裂紋是由熱應力導致的煙氣側由外壁向內壁的熱疲勞開裂造成的，同時高溫硫腐蝕促進了損壞。當材質自身的性能和組織正常時，水吹灰是造成熱應力的主要因素。因此，合理減少水吹灰的頻次和調整水吹灰噴嘴直徑，可有效地解決水冷壁橫向裂紋問題。

1 火力發電廠金屬材料手冊編委會．火力發電廠金屬材料手冊[M]．北京：中國電力出版社，2004．

2012-09-12)