鍋爐水冷壁裂紋成因分析與處理

張鈞臣

摘?要：分析鍋爐水冷壁形成裂紋的原因，并針對不同成因類型的水冷壁裂紋給出處理方式，解決水冷壁裂紋問題，保障鍋爐長周期安全運行。

關鍵詞：鍋爐;水冷壁;裂紋;處理

引言

水冷壁管作為鍋爐四管之一，防磨防爆管理是重要的工作。水冷壁裂紋作為水冷壁經常出現的典型故障，長期影響著電廠鍋爐的安全運行。以我們公司為例，自2019年9月至2020年4月期間，2臺鍋爐水冷壁出現裂紋、爆管共計8次，導致鍋爐非計劃停運2次，經濟損失達到一百五十余萬元。水冷壁管的爆管，通常也都是由水冷壁管的細小裂紋引起的，因此解決水冷壁裂紋問題成為保證公司鍋爐長周期安全經濟運行的關鍵。

水冷壁裂紋的形成主要是因為應力作用導致的，從應力源進行分類主要包括熱應力造成的裂紋、焊接應力導致的裂紋、機械應力導致的裂紋等幾種情況，下面就這幾種情況進行分析，說明造成裂紋的具體原因并提出解決措施。同時，針對鍋爐水冷壁外側裂紋，提出運行處理意見。

1、熱應力造成的裂紋

鍋爐正常運行時，水冷壁管外壁受到高溫火焰的輻射，而內壁被汽水混合物冷卻。汽水混合物的溫度就是汽包壓力下的飽和溫度。由于20G管的導熱系數大，水冷壁管厚一般不大于6mm，管壁熱阻較小，水冷壁管在高溫火焰的強烈輻射下，熱負荷很高，靠近火焰中心的水冷壁管熱負荷更高，導致水冷壁管內外壁溫差可達60～80℃，內外壁溫度的差別造成20G管內外壁膨脹率不一致，從而在水冷壁管內產生了熱應力。

鍋爐水冷壁管運行期間熱應力一直存在，運行時數達到一定程度后容易因應力疲勞造成水冷壁管的拉裂。同時，水冷壁管個別區域長期受鍋爐煙氣沖刷嚴重，導致鍋爐水冷壁管變薄，在熱應力的作用下很容易形成裂紋。

預防水冷壁管因熱應力造成拉裂的主要方法就是加強水冷壁管的技術監督，大小修期間對水冷壁管進行詳細檢查，有條件的可以對水冷壁管進行理化檢驗，對理化檢驗不合格或者不足以維持一個檢修期的水冷壁管進行更換。鍋爐水冷壁管的金相檢驗顯示20G管向火面和背火面金相組織具有明顯差異，向火面一側珠光體區域的碳化物有明顯分散，向晶界聚集，珠光體開始呈現球化現象，背火側20G管的鐵素體和珠光體組織晶界清晰。

2019年10月，公司發生一次鍋爐過熱器室水冷壁爆管故障，停爐檢查發現爆管部位發生在中溫過熱器區域，靠近東側與北側水冷壁的連接部位，該部位積灰較嚴重，通過對水冷壁裂紋進行分析，認為水冷壁管表面積灰多，水冷壁管發生灰下化學腐蝕，出現腐蝕坑，在熱應力的作用下形成裂紋而爆管。現場處理過程中，由于水冷壁內測為過熱器管束，采用開天窗的方式進行部分水冷壁管的更換。

2、焊接應力導致的裂紋

鍋爐水冷壁管大多采用膜式水冷壁，膜式水冷壁是由鰭片和水冷壁管焊接而成，焊接工藝水平直接決定了膜式水冷壁的質量，現代鍋爐膜式水冷壁的焊接制造通常采用全自動焊接生產線。

電廠鍋爐檢修工作中，水冷壁管焊接通常由于工作量小，必須由人工進行。焊接過程中焊接質量直接取決于焊材的選擇、焊接工藝是否適當兩個方面。焊材焊接過程中氫氣的存在容易導致焊接結構變脆，降低水冷壁管的局部抗拉強度，因此焊接過程中最好選用低氫型堿性焊條。焊接工藝方面主要是水冷壁管與水冷壁管的對口焊接、水冷壁管和鰭片的焊接問題，水冷壁管與水冷壁管的焊接如果存在對口間隙不當、內外壁偏差過大、焊高超標、焊口過于集中等問題，容易造成焊后應力集中，鍋爐運行后水冷壁管在熱應力與焊接應力的共同作用下容易產生裂紋。水冷壁管與鰭片的焊接若鰭片斷面中心線與水冷壁管中心線不在同一平面內的情況，焊接殘余應力作用在焊接位置形成扭應力，導致鰭片與水冷壁管連接處出現裂紋，并隨著鍋爐運行時間的延長不斷加長加深。

2020年3月份，公司1#鍋爐振動爐風室內發現漏水現象，停爐后檢查發現水冷振動爐排水冷壁管與鰭片連接處存在環向裂紋。分析認為焊接工藝不良是造成水冷壁管裂紋的主要原因，公司每臺鍋爐由2組水冷振動爐排片，2組水冷振動爐排片之間采用折瓦和硅酸鋁繩密封，上次檢修期間拉裂位置折瓦脫落后，補焊折瓦過程中焊接工藝不當，使折瓦與水冷壁管直接對接焊接，同時該位置焊接過程中焊高超標嚴重，應力集中導致水冷壁管裂紋。對于這一問題，采用更換部分水冷壁管的方式進行處理時，挑選具有資質的焊工進行焊接，嚴格控制破口角度、對口間隙，對焊口進行預熱，焊接順序，采用手動電弧焊的直流電機反接法進行分層分道焊接，控制焊高，進行焊后熱處理。

3、機械應力導致的裂紋

生物質水冷振動爐排鍋爐運行中，爐排的振動采用間歇振動方式，爐排水冷壁與四周爐墻水冷壁管密封間隙的變化，容易導致密封處水冷壁管振動過程中承受機械應力作用。

爐排水冷壁管與鍋爐水冷壁下集箱連接的柔性管在爐排振動過程中存在一定的形變量，形變量的產生即是因為振動過程中的機械應力作用，容易造成水冷壁管的裂紋。

2019年12月，公司1#鍋爐出現一次因柔性管應機械應力導致的裂紋，停爐后進行了修復，將水冷壁裂紋挖去，用角磨機打出坡口，坡口形狀呈月牙形，進行焊接修補。

4、水冷壁外側裂紋處理

鍋爐水冷壁向火側裂紋，一般必須進行停爐檢修。而對于鍋爐水冷壁外側裂紋，為最大化保證鍋爐長周期運行，減少停爐損失，現在很多電廠采用帶壓堵漏方式進行處理，即采用“捻縫+焊接”的修復方法對水冷壁外側裂紋進行修復，利用氣動沖擊搶或者扁鏟從水冷壁裂紋周圍向裂紋方向進行擠壓，由于水冷壁管金屬具有蠕動性能，使得水冷壁管裂紋變小直至不再漏汽，然后進行焊接修復。水冷壁管的帶壓焊接是一項危險性很高的作業，必須選擇焊接技術高超的焊工進行作業，同時進行焊接作業前必須做好相應安全措施，鍋爐進行降壓降負荷操作，焊接過程不能連續進行，每次焊接時間不能超過三秒，焊后需要等待焊口冷卻到正常運行壁溫，進行檢查后方可再次施焊。

參考文獻

[1]楊峰，崔瑋，韓福全 鍋爐水冷壁管橫向裂紋開裂原因分析，《熱加工工藝》2011年第5期。

[2]謝廣煜，錢建華，張宏彥 鍋爐水冷壁帶壓堵漏技術，《電力科學與工程》2008年8月第24卷第6期。