低NOx燃燒器改造后水冷壁橫向裂紋原因及治理

馬新立，徐頌梅

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

低NOx燃燒器改造后水冷壁橫向裂紋原因及治理

馬新立，徐頌梅

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

隨著鍋爐新排放標準的實施，火電廠鍋爐普遍進行了低NOx燃燒器改造，改造后不少電廠出現了水冷壁橫向裂紋問題。通過分析，指出了水冷壁發生橫向裂紋的主要原因是鍋爐低NOx燃燒器改造后水冷壁還原性氣氛增強，并提出低NOx燃燒器改造優化方法和運行技術手段，可供相關電廠借鑒。

低NOx燃燒器；水冷壁；橫向裂紋

根據GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，自2014年7月1日起，火電廠鍋爐執行新的NOx排放限值。在此之前，大部分電廠進行了低NOx燃燒器改造。改造后，鍋爐出口NOx排放濃度明顯下降，但很多電廠鍋爐水冷壁出現橫向裂紋問題。橫向裂紋縮短了水冷壁壽命，嚴重時會導致水冷壁泄漏。必須對水冷壁橫向裂紋產生原因進行分析，并制定相應對策，防止水冷壁發生橫向裂紋［1-3］。

1　鍋爐簡介

某廠1號鍋爐為FW西班牙公司制造的亞臨界自然循環汽包鍋爐，最大連續蒸發量1160 t/h，主蒸汽壓力17.3 MPa，主蒸汽溫度541℃。單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全懸吊結構Π型鍋爐。燃燒器采用旋流燃燒器、前墻布置，冷一次風機直吹式制粉系統，配套4臺MBF-23中速磨煤機，設計燃用煤種為低位發熱量22.26 MJ/kg的煙煤。于1993年5月20日投入商業運行。

鍋爐前墻上布置4層燃燒器，每層各有4只軸向旋流燃燒器，共16只燃燒器，由上至下編號依次為ABCD。1號爐在2005年進行低NOx燃燒器改造，將燃燒器改造為ABT公司的Opti-FlowTM燃燃器，改造的主要內容是保留前墻大風箱結構，保留每只燃燒器原有的風量套筒擋板和徑向調整的外調風器葉片，將原有燃燃器一次風和內二次風部分更換為具有更低NOx功能的Opti-FlowTM燃燃器。在燃燃器的上方增加4只燃燼風噴口，在上層燃燃器靠二側墻處增加2只防止高溫腐蝕的側翼風噴口，對原來的大二次風箱增加了均流裝置，減小了中間二列燃燒器通風面積并調小其調風器全開的定位，以提高各燃燃器二次風配風的均勻性。

改造后燃燒器仍維持內外二次風雙可調結構，外二次風噴嘴喉部D為119 3.8 mm，內二次風喉部D為 914.4 mm；一次風從原渦殼切向進風改造為彎頭進入，基本無旋流；在一次風管近噴口處設置煤粉偏向器，將一次風射流分為內外二部分；一次噴嘴離水冷壁平面距離439.7 mm。燃盡風噴嘴離上層燃燒器距離2905 mm，燃盡風噴嘴為旋流式。

2　橫向裂紋特點

現場檢查發現，鍋爐水冷壁存在高溫腐蝕，集中在后墻以及側墻后部區域，高度在下層燃燒器至燃盡風區域，其中在后墻燃盡風區域高溫腐蝕最嚴重，剝落的腐蝕產物厚度在1.5～2.0 mm。高溫腐蝕產物已部分剝落，剝落嚴重的區域在水冷壁朝爐膛方向，高溫腐蝕產物可以成片剝落；部分成片剝落的高溫腐蝕產物背面存在著類似橫向裂紋的紋路。水冷壁管存在明顯地減薄，減薄嚴重的為水冷壁側面45°區域，減薄量約1.2 mm；鰭片焊縫外部區域也存在較嚴重減薄，減薄約1.0 mm；水冷壁向火面90°處減薄約0.6 mm。

水冷壁管存在較廣泛的密集橫向裂紋，橫向裂紋發生在水冷壁管向火面的正面，背火面不存在橫向裂紋的現象；橫向裂紋如絲狀，大致與水冷壁管軸線垂直。水冷壁管出現橫向裂紋的區域與存在高溫腐蝕的區域基本重合，存在橫向裂紋的水冷壁管在很大的高度范圍內都有，高溫腐蝕區域也有部分管不存在橫向裂紋。

打磨去除管子向火面外壁的氧化皮及灰渣，可見清晰的密集橫向裂紋，如圖1所示。裂紋的周向長度約1/4圓周，周向位置如圖2所示。

圖2　裂紋區域及腐蝕減薄區域

在向火面裂紋處取一只金相試樣，磨制、拋光后裂紋形貌如圖3所示，取樣區域裂紋最深處約1.5 mm，開裂內部充滿灰色氧化物。經浸蝕后觀察顯微組織，裂紋處顯微組織為鐵素體+珠光體，組織有輕度的球化。

圖3　外壁裂紋形貌

3　向裂紋原因分析

從1號鍋爐水冷壁密集橫向裂紋產生環境分析，水冷壁橫向裂紋產生的主要原因是應力腐蝕。在應力和腐蝕介質作用下，材料表面的氧化膜被腐蝕破壞，破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解，產生電流流向陰極。由于陽極面積比陰極的小得多，陽極的電流密度很大，進一步腐蝕已破壞的表面。加上拉應力的作用，破壞處逐漸形成裂紋，裂紋隨時間逐漸擴展直到斷裂。這種裂紋不僅可以沿著金屬晶粒邊界發展，而且還能穿過晶粒發展。裂紋的形成和擴展大致與拉應力方向垂直。導致應力腐蝕開裂的應力值，比沒有腐蝕介質存在時材料斷裂所需要的應力值小得多。影響應力腐蝕的主要因素有腐蝕性氣體與應力。

3.1煙氣還原性氣氛強

鍋爐燃燒器改造后，一次風消除了旋流，增加了一次風射流的剛度。增加了燃盡風和前墻的側翼風噴嘴，減少了二次風量；而燃燒器改造時保留了原燃燒器的二次風風量套筒擋板與外二次風旋流調節葉片。二次風速下降，二次風旋流強度降低。由于一次風射流剛度增強、二次風旋流強度降低，二次風卷吸一次風的能力減弱，一次風擴散度減小，火焰保持形狀完整性能力增強；且爐膛深度不大，僅11.049 m，由于燃燒器采用前墻布置，L型火焰，剛度大的一次風使得火焰吹向后墻。導致后墻區域熱負荷高，火焰直接沖向后墻、引起后墻處煤粉濃度較高，貼墻處煙氣還原性氣氛很強。

增加燃盡風與側翼風后，燃燒器域二次風供應不足，造成燃燒器區域缺氧燃燒，整體呈現出還原性氣氛。由于二次風旋流作用以及側翼風影響，前墻及側墻前部壁面處氧氣濃度較高；無側翼風的下部燃燒器也不發生高溫腐蝕，說明爐膛前部整體煙氣氧濃度較高，還原性氣氛不強。前墻處煙氣氧氣濃度較高會影響到后墻及側強后部水冷壁處煙氣氧量更低。

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3.2熱應力高

由于火焰直接沖向后墻，導致爐膛后半部熱負荷偏高；爐膛存在結焦，結焦覆蓋的水冷壁區域吸熱量減少，使得不結焦區域局部熱負荷升高，水冷壁壁面溫度上升；當高溫腐蝕產物剝落時，未剝落區有腐蝕產物覆蓋，吸熱減少，剝落區域壁面吸熱量增加，壁面溫度上升；防腐防磨涂層剝落與高溫腐蝕產物剝落影響基本相同，當噴涂質量不好，運行中出現剝落時，一部分直接剝落，另一部分未完全剝落，裂開的噴涂層內部水冷壁產生氧化，具有較大的熱阻，減少了該部分水冷壁的吸熱，導致完全剝落部分吸熱增加，壁面溫度升高。

對于應力的產生根源主要是爐墻水冷壁熱膨脹以及膨脹受阻，水冷壁熱膨脹產生應力主要有水冷壁管存在較大壁溫分布，如向火面吸熱壁溫高，背火面不吸熱壁溫低；鰭片處熱流密度大，壁溫高；有結焦的水冷壁管吸熱量少、壁溫低，不結焦的水冷壁管吸熱量多、壁溫高；高溫腐蝕產物未剝落的壁面吸熱量少、壁溫低，高溫腐蝕產物剝落的壁面吸熱量多、壁溫高；防腐防磨噴涂層完全剝落的壁面吸熱量多、壁溫高，未完全剝落的壁面吸熱量少、壁溫低。壁溫偏差會產生熱膨脹偏差，壁溫高、膨脹大的對周圍材料產生拉應力，其受到周圍材料的壓應力。向火面與背火面壁溫差會使水冷壁管產生鼓突變形，吸熱量大的水冷壁管會使得相鄰水冷壁產生拉應力，本身產生壓應力。

對于水冷壁膨脹受阻，有剛性梁束縛和水冷壁剛度束縛，1號鍋爐水冷壁管管徑粗、壁厚厚，具有較大的剛度，不易發生鼓突變形，也是束縛水冷壁變形的重要因素，如果水冷壁不能發生鼓突變形時，向火面材料受到壓應力，背火面材料受到拉應力作用。在水冷壁結焦與不結焦，高溫腐蝕的產生與剝落，都會使水冷壁管存在低周交變應力，也會促使橫向裂紋快速發展。

4　橫向裂紋防止對策

（1）進行鍋爐低NOx燃燒器改造時注意對水冷壁管高溫腐蝕和橫向裂紋防治。適當增加一次風的旋流強度，降低噴口處一次風速，減少一次風射流剛度，防止火焰直接沖刷后墻水冷壁。減少水冷壁后部熱負荷和減輕煙氣還原性氣氛。

（2）在燃燒器改造中，根據燃盡風量和側翼風量的影響，對燃燒器二次風噴口直徑進行優化，保證二次風風速以及二次風旋流強度，以保證旋流二次風對一次風射流的卷吸作用，適當增加一次風射流的擴散性，適當增強一、二次風混合，減弱一次風射流動量，減小一次風射流的有效噴射距離。降低水冷壁處煤粉濃度，減少水冷壁后部熱負荷和減輕煙氣還原性氣氛。

（3）燃燒器改造時控制合適的燃盡風率以及側翼風量，在滿足燃燒器生成的NOx濃度要求條件下，增加減輕主燃燒器區域的燃燒空氣，減輕主燃燒器區域煙氣的整體還原性氣氛。

（4）在燃燒器改造中優化側翼風布置，減少前墻側翼風量，或者取消前墻的側翼風噴嘴，在側墻后部貼近后墻水冷壁區域布置側翼貼壁風，在后墻區域形成局部富氧的煙氣環境，與后墻煤粉濃度匹配，減輕后墻水冷壁的還原性氣氛。

（6）在進行水冷壁防腐防磨噴涂前應將水冷壁表面打磨干凈，已有橫向裂紋的，應將橫向裂紋打磨消除裂紋后再進行噴涂，防止噴涂后已有裂紋進一步發展，造成水冷壁失效。

（7）控制燃煤的硫分。從2個方面控制硫分，一方面是從整體上控制燃煤硫分，使得鍋爐燃煤平均硫分降低；另一方面是控制個別硫分較高的燃煤。

（8）對燃燒硫分較高煤種的燃燒器，可以適當增加二次風量，減輕局部煙氣的還原性氣氛。

（9）利用大小修機會進行磨煤機出口管一次風速調平試驗，降低各管一次風速分布偏差。為保證制粉系統運行安全的前提下降低噴口一次風速打好基礎，同時保證各管煤粉濃度分布偏差處于較小的范圍。

（10）當出現燃燒器的一次風量不一致時，對每層燃燒器的二次風量進行優化調整，一次風量偏大的燃燒器可以適當增加二次風量。

（11）熱工對自動控制進行優化調整，降低運行中爐膛出口煙氣氧量的波動幅度，減少爐膛出口氧量偏低的運行時間。

（12）每次檢修對爐膛高溫腐蝕和橫向裂紋進行重點檢查，同時做好腐蝕速率及裂紋深度發展的紀錄，進行定點測量，監測高溫腐蝕與橫向裂紋的發展速率。

5　橫向裂紋治理效果

從現場實際情況出發，將橫向裂紋治理分2步進行，先進行運行調整，再利用檢修機會對燃燒器結構進行優化。目前采用的措施包括降低噴口處一次風速、降低燃盡風量和側翼風量、控制燃煤的硫分、熱態一次風速調平試驗和優化送風自動PID參數。

通過上述運行調整，燃燒器附近水冷壁處的氧化性氣氛大大增強，氧量由調整前的1%以下提高到2%以上；同時，還原性氣氛比調整前大大減弱，CO含量由調整前的5.0%左右減少到2.8%，從而有力地降低了水冷壁橫向裂紋發展的速度。

6　結束語

鍋爐低NOx燃燒器改造后水冷壁產生橫向裂紋的主要原因是水冷壁附近還原性氣氛大大加強，水冷壁發生應力腐蝕。通過控制燃煤硫分和運行調整，大大降低了水冷壁附近CO含量，取得了良好效果。建議利用鍋爐檢修機會，優化燃燒器結構，進一步降低水冷壁還原性氣氛，達到根治水冷壁橫向裂紋的目的。

［1］嚴方.火電機組水冷壁管橫向裂紋失效機理分析與熱應力數值模擬［J］.熱加工工藝，2013，42（10）：83-86.

［2］張家維，張忠華，張振杰，等.超超臨界鍋爐內螺紋管垂直上升水冷壁橫向裂紋原因分析及治理［J］.東北電力技術，2013（10）：24-30.

［3］楊慶旭，楊超，孫雄，等.1025 t/h CFB鍋爐屏式過熱器管失效分析［J］.江蘇電機工程，2013，32（1）：71-73.

Cause and Countermeasures of Transverse Cracks on Water Wall Tubes After Low NOxBurner Rebuilding

MA Xinli，XU Songmei
（Jiangsu Frontier Electrical Power Technology Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

Along with the implementation of the new boiler emission standard，low NOxburner alteration was generally carried out on coal-fired power plant boilers.After transforming，water wall transverse crack issues were encountered in many power plants.The main cause of transverse cracks is severe reducing atmosphere near the water wall tubes after reforming low NOxburners.The operation technology measures and the low NOxburner retrofit optimization method were put forward，which can provide valuable reference for related power plants.

low NOxburner；water wall；transverse crack

TK223.3

B

1009-0665（2015）02-0072-03

2014-10-21；

2014-12-02

馬新立（1969），男，江蘇常州人，高級工程師，從事大型鍋爐調試、試驗及改造工作。

徐頌梅（1971），男，江蘇無錫人，高級工程師，從事火力發電廠的基建調試工作。