淺談塔式爐水冷壁結構特點與應用問題分析

趙予生

摘 要：本文以徐州華潤電力有限公司兩臺1000WM塔式鍋爐水冷壁為例，簡要闡述上海鍋爐廠塔式爐水冷壁結構特點以及徐州華潤電廠兩臺塔式爐投運以來水冷壁出現的問題和處理方法，尤其對T23材質水冷壁存在的焊口及鰭片裂紋問題進行了分析和闡述。

關鍵詞：塔式爐；水冷壁；T23

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0120-02

1 概述

徐州華潤電力有限公司三期2*1000MW超超臨界直流鍋爐為上海鍋爐廠引進德國ALSTOM公司技術生成的塔式鍋爐，兩臺鍋爐投產時間分別為2010年6月和2010年7月。水冷壁采用螺旋+垂直管圈布置，具有熱負荷均勻、水動力穩定、水冷壁出口溫度偏差小等優點，但機組投運以來，多次發生水冷壁泄漏事故，給機組穩定運行帶來極大隱患，同時每次檢修都發現大量T23材質水冷壁裂紋缺陷，給機組檢修帶來很大難度。塔式爐燃燒器水冷套彎管吹損及冷灰斗區域磨損，也是該爐型水冷壁每次檢修的重點區域。

2 塔式爐水冷壁結構布置介紹

徐州華潤電力有限公司三期兩臺塔式爐為螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置，四角切圓燃燒。爐膛寬度21480mm，爐膛深度21480mm，爐膛由膜式管子組成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。從爐膛冷灰斗進口標高4450mm到標高61013mm處采用螺旋管圈，61013mm向上為垂直管圈，螺旋管圈與垂直管圈通過十二通進行連接。垂直管圈分為兩部分，下部垂直管圈管子規格為38.1mm，節距600mm，上部管子規格為44.5mm，節距120mm，上、下部垂直管通過Y型三通合并。冷灰斗下部螺旋管圈材料為15CrMoG，冷灰斗上部螺旋管圈材料為T23，垂直管圈材料均為T23。

3 塔式爐水冷壁運行期間泄漏情況介紹

徐州華潤電力有限公司三期兩臺塔式爐自投產以來水冷壁共泄漏28次，綜合分析泄漏原因，9次為焊縫缺陷，4次為磨損減薄，其余15次均為鰭片裂紋造成；T23管材與15CrMo管材泄漏次數分別是20次和8次。

泄漏主要原因分析如下：

（1）T23水冷壁鰭片材質為SA387-Cr12CL，在與T23管材焊接時，焊后容易出現裂紋，裂紋因應力交變延伸至水冷壁母材，因強度降低導致泄漏。（2）T23管具有再熱裂紋傾向，特別是在熱影響區容易出現裂紋，導致泄漏。（3）爐外鋼梁與水冷壁采用塞塊連接，塞塊直接與水冷壁管焊接，水冷壁爐膛內外壁溫存在差異，焊縫區域硬度較大，應力交變導致泄漏。（4）冷灰斗及燃燒器管屏磨損泄漏。

4 塔式爐水冷壁歷次檢修發現的主要問題及應對策略

4.1 冷灰斗區域水冷壁管磨損減薄

采用螺旋水冷壁的直流鍋爐，冷灰斗磨損發生在水冷壁管順前后墻斜坡滑落部位，在接近角部時水冷壁管傾斜角度變大，由于掉落在冷灰斗區域的灰渣順水冷壁管間溝槽滑落，在大斜角水冷壁管區域會產生較大的加速，從而造成嚴重的磨損。為了防止角部水冷壁快速磨損泄漏，在機組檢修期間對前后墻四角水冷壁冷灰斗進行澆注料防磨改造，澆注料端部加裝防磨瓦，并沿灰渣滑動方向設置梳型板減緩落渣流速，分散灰渣對局部造成集中沖擊。

4.2 燃燒器水冷套彎管吹損

燃燒器水冷套彎管吹損是上海鍋爐廠塔式爐普遍存在的問題，國華臺山、國華徐州等各廠均存在水冷套彎管磨損問題，水冷套吹損原因主要和燃燒器結構設計、噴口局部間隙大漏風有關。為防止燃燒器水冷套吹損爆管，徐州華潤電廠在燃燒器噴口與水冷套之間加裝了不銹鋼擋風板，并在歷次機組檢修中對擋風板進行維修更換。

4.3 T23水冷壁焊口及鰭片裂紋缺陷

4.3.1 T23水冷壁焊口裂紋

機組投產初期T23水冷壁焊口橫向裂紋是導致水冷壁泄漏主要因素，也是歷次檢修檢查的重點問題。其中2010年9月，#5鍋爐上水檢查發現6只焊口泄漏，右側墻擴大X射線檢驗又發現19只焊口缺陷；2010年10月，再次擴大檢測，又發現12只焊口裂紋。2010年8月#6鍋爐右側墻檢查割口換管9根；2010年11月，水冷壁四面墻100%檢測，又發現了31只焊口裂紋，其中3只為上次檢測后新發現裂紋。

T23對接焊口的裂紋主要發生在向火側，大多沿焊縫橫向開裂，橫貫焊縫止于兩側母材。經檢測分析，焊縫裂紋多始于接頭內部，向外延伸至外壁，焊縫高溫短時強度試驗滿足標準要求，且強度高于母材。但存在向火側焊縫和粗晶區的硬度偏高，且明顯高于母材的硬度和向火面及背火面焊縫沖擊功都很低的問題。對裂紋取樣分析見表1。

按照DL/T 868-2004《焊接工藝評定規程》要求，沖擊試驗合格標準為沖擊功的平均值不應低于相關技術文件規定的鋼材的下限值，且不得小于27。現場焊縫韌性檢測低于標準要求50%以上，這一方面可能是原始焊縫韌性不合格，也可能是由于運行后焊縫沖擊韌性明顯降低。沖擊韌性降低將導致管材塑性降低，容易產生裂紋缺陷。

4.3.2 T23水冷壁鰭片裂紋

塔式爐T23水冷壁鰭片裂紋主要體現在Y型三通區域和燃燒器及過渡段水冷壁區域，因其隱藏深、檢查難、數量大、發展快、誘因多等特點，已經成為目前影響鍋爐安全穩定運行的最大隱患。見表2。

徐州電廠#6鍋爐2017年4月發生一起爐前水冷壁Y型三通鰭片裂紋延伸至焊口融合線導致泄漏的事故，通過停機排查，又發現大量隱藏的焊口處鰭片隱性裂紋，給機組穩定運行帶來巨大隱患。2017年5月份#5鍋爐505C修期間對T23水冷壁鰭片裂紋進行了詳細徹底排查，并分類統計：水冷壁鰭片裂紋合計878只，其中一般鰭片裂紋524，延伸至焊縫鰭片裂紋145只，延伸至管壁鰭片裂紋162只，射線檢測并經驗證鰭片裂紋47只。

4.3.3 裂紋原因分析endprint

（1）T23材料的焊接性較差。T23焊縫金屬的裂紋敏感性較強，且存在再熱裂紋傾向，特別是未進行焊后高溫回火熱處理的焊接接頭金屬沖擊韌性值偏低，裂紋產生的門檻值低，裂紋擴展速度快。（2）Y型三通處結構形狀突變導致三通焊縫局部應力集中較嚴重。Y型三通上下結構形狀變化較大，焊縫兩側金屬壁厚差異大，導致三通上下焊縫處結構應力集中較大。（3）Y型三通上下鰭片寬度突然變化導致局部金屬熱應力的增加。從汽水介質流向看Y型三通處于兩根變一根的部位，管內冷卻介質存在流速變化，三通上下的鰭片寬度變化較大，寬鰭片的冷卻能力變差，再加上補裝鰭片存在單面焊、虛焊、漏焊等情況，局部溫度場變化進一步增加，從而加劇了局部金屬的熱應力。（4）Y型三通處補裝鑲嵌塊的鰭片焊縫焊接質量差異大。安裝時補裝鑲嵌塊鰭片焊縫質量差異較大，一般均采用手工電弧焊單層單道焊接，存在焊接熱輸入量過大，焊接組織粗大導致容易產生裂紋的可能。（5）過渡區水冷壁熱負荷高，設計質量流速低，鰭片冷卻能力差。過渡區水冷壁通過十二通引入管將螺旋水冷壁內介質引至中間混合集箱混合后通過引出管送至上部垂直水冷壁，此方式混合效果有限，本身設計質量流速低，且又處于爐膛高熱負荷區，容易造成部分鰭片冷卻效果不好，導致鰭片開裂。見表3。

4.3.4 裂紋消除措施

（1）提高T23水冷壁焊接工藝，嚴格按照焊接工藝操作，與管子焊接的鰭片采用雙面氬弧焊。（2）鰭片與管子焊縫上下各留有10mm不焊。（3）從減小應力集中角度出發，對與T23管材焊接的鰭片截斷處均進行圓滑過渡，減小應力集中。（4）調整鍋爐燃燒，控制火焰中心不偏斜，爐內溫度場均勻，減少局部水冷壁超溫對鰭片的影響。

5 結語

塔式鍋爐水冷壁運行中存在冷灰斗磨損、燃燒器噴口管屏磨損等容易造成水冷壁泄漏的問題，在機組檢修中應加強檢查，及時處理，并做好預防措施。T23材質水冷壁管具有再熱裂紋傾向且存在向火側焊縫和粗晶區的硬度明顯高于母材硬度和焊縫沖擊功低的問題，T23水冷壁焊口及鰭片裂紋都是檢修工作中應格外重視的問題，提高T23水冷壁焊接工藝和降低局部應力是降低T23水冷壁泄漏的重點方向。

參考文獻

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[2]王紅波，白玉海.國產T23鋼在臺山電廠2*1000MW塔式鍋爐水冷壁上的運用現狀[J].廣東電力，2010，（07）：56-59.endprint