超超臨界鍋爐水冷壁寬鰭片裂紋原因分析及預(yù)防處置

孫少波

（國能神福（石獅）發(fā)電有限公司，泉州 362700）

鍋爐水冷壁的工作環(huán)境十分惡劣，其內(nèi)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(jī)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?yàn)楫?dāng)鍋爐水冷壁發(fā)生泄漏事故時(shí)，若沒有及時(shí)采取有效處理措施，會(huì)使泄漏范圍擴(kuò)大而造成嚴(yán)重?fù)p失，所以需要及時(shí)停機(jī)進(jìn)行消缺處理，是造成機(jī)組非停的主要原因之一。因此，水冷壁管失效機(jī)理及防治措施的研究對(duì)提高火力發(fā)電廠安全經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[1]。本文著重討論寬鰭片導(dǎo)致水冷壁爆管的主要機(jī)理和相關(guān)的預(yù)防措施。

1 機(jī)組概況

某廠鍋爐為3130/27.46-Ⅱ2型正壓直吹旋流對(duì)沖燃燒鍋爐。鍋爐為超超臨界參數(shù)、一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架以及全懸吊結(jié)構(gòu)的Ⅱ型結(jié)構(gòu)。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(gè)不同的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(yù)留孔位置附近的水冷壁管需要為孔洞讓位，部分區(qū)域鰭片會(huì)超寬。這部分鰭片在出廠時(shí)會(huì)打上膨脹縫，并在膨脹縫端部打止裂孔，以防止出現(xiàn)裂紋延伸至母材的情況。它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中深色區(qū)域?yàn)槌瑢掱捚糠郑p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(qū)域并未按照要求打膨脹縫和止裂孔，可能會(huì)導(dǎo)致水冷壁爆管。爐膛部位的燃燒器孔、人孔、吹灰器孔、預(yù)留孔以及看火孔分布，如圖3所示。

圖2 吹灰器預(yù)留孔區(qū)域?qū)掱捚Y(jié)構(gòu)

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(jī)組C級(jí)檢修時(shí)進(jìn)入爐膛檢查高溫區(qū)吹灰器孔、觀察孔以及人孔寬鰭片，發(fā)現(xiàn)水冷壁鰭片存在裂紋。如果任其發(fā)展，裂紋會(huì)由于機(jī)組長期高負(fù)荷運(yùn)行而延伸至壁管母材，最終造成水冷壁泄漏。

進(jìn)行裂縫檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)一些鰭片根部出現(xiàn)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(bào)告的爆管事故后發(fā)現(xiàn)，爆管的原因?yàn)樗浔趯掱捚课凰毫眩鸭y延伸至水冷壁管造成泄漏。吹灰器孔一般處在爐膛的高負(fù)荷區(qū)域，水冷壁讓位管區(qū)域鰭片結(jié)構(gòu)不規(guī)則、寬度大且冷卻不足，會(huì)隨著機(jī)組長期高負(fù)荷運(yùn)行產(chǎn)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(nèi)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(dǎo)至水冷壁管道內(nèi)，由管內(nèi)工質(zhì)通過與管壁間的對(duì)流換熱將熱量帶走。

圖6 水冷壁工作示意圖

馮偉忠、石尚達(dá)[7-8]等對(duì)寬鰭片傳熱模型進(jìn)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(qiáng)度；b為鰭片寬度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；h為鰭片厚度；tb為水冷壁管表面溫度（受工質(zhì)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(fā)現(xiàn)膜式水冷壁溫度最高點(diǎn)在鰭片向火側(cè)中心位置，且壁管向火側(cè)的溫度高于背火側(cè)。鰭片寬度越大，鰭片內(nèi)部的溫度梯度越大，導(dǎo)致鰭片內(nèi)部溫度不均造成熱應(yīng)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(shí)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(yù)防措施

割除范圍包括吹灰器孔、吹灰器預(yù)留孔、觀火孔、火焰監(jiān)視器孔以及17 m人孔。割除時(shí)，先對(duì)需要割除區(qū)域進(jìn)行清灰清焦處理，后使用角磨機(jī)切割鰭片。寬鰭片割除后，由金屬檢驗(yàn)隊(duì)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(yīng)使用內(nèi)磨機(jī)進(jìn)行打孔止裂[11]。若裂紋延伸到母材，則需要繼續(xù)磨挖，并根據(jù)壁管損傷情況進(jìn)行補(bǔ)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(guī)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(fā)現(xiàn)有割傷的壁管，應(yīng)使用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量割傷部位厚度。中部螺旋水冷壁鰭片材質(zhì)為15CrMo鋼，水冷壁材質(zhì)為SA-213T2鐵素體熱強(qiáng)鋼（ASME標(biāo)準(zhǔn)），壁厚為7.5 mm。若壁厚小于6.5 mm時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊，小于5.5 mm則必須換管。

5 結(jié)語

改進(jìn)的鍋爐啟動(dòng)后，目前還未出現(xiàn)因?qū)掱捚压懿亩斐傻男孤┦鹿省Ｍ蜋C(jī)組進(jìn)行寬鰭片切割后也穩(wěn)定運(yùn)行，未再次出現(xiàn)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(qū)域爆管泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，提高了鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性。