1000 MW 機組鍋爐燃盡風噴口水冷壁管頻繁泄漏原因分析

張方明，彭以超，唐建華，樓玉民，趙煒煒

（1.浙江浙能電力工程技術有限公司，浙江 寧波 315103；2.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121）

0 引 言

某電廠兩臺鍋爐是1000 MW 超超臨界、帶中間混合集箱垂直管圈水冷壁直流爐、單爐膛、采用八角雙火焰切圓燃燒方式∏型燃煤鍋爐[1-2]，型號為HG-3101/27.56 -YM2。 水冷壁采用焊接膜式壁、內螺紋管垂直上升式，均為?28.6 ×5.8 mm（最小壁厚）四頭螺紋管，管材為15CrMoG，節距為44.5 mm，管子間加焊的扁鋼寬為15.9 mm，厚度6 mm，材質為15CrMoG。

2019 年11 月9 日，該電廠8 號爐運行時前墻水冷壁在44.5 米層2 號角（見圖1）泄漏，發生泄漏的位置位于垂直水冷壁管與燃盡風噴口彎管交界位置的向火側，并且其旁邊的水冷壁鰭片在運行時出現嚴重拉裂[見圖2（a）]，長約1 米以上。 擴大檢查發現8 號爐5 號和3 號角同樣位置水冷壁鰭片也存在拉裂[見圖2（b）]。 另外，圖1中另7 個角水冷壁向火側同樣位置也存在同樣的裂紋。 該電廠7 號爐在2018 年10 月同樣在垂直水冷壁管與燃盡風噴口彎管處發生泄漏和鰭片拉裂情況如圖3 所示。

圖1 燃燒器、燃盡風布置圖

圖2 8 號爐爐膛水冷壁泄漏位置及鰭片撕裂宏觀形貌

圖3 7 號爐水冷壁泄漏宏觀形貌

兩臺鍋爐膛水冷壁管頻繁泄漏和鰭片拉裂幾乎完全一致的共性特征，表明水冷壁失效存在深層次的原因，對于電廠安全生產和機組“降非停”產生了嚴重的影響。 本文從機組結構、運行參數、理化分析等多個角度進行討論，對導致水冷壁管頻繁泄漏的原因進行分析討論，并提出一些針對性的反措，為國內類似結構鍋爐的同類型問題提供借鑒。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

對8 號爐水冷壁泄漏位置進行宏觀檢查，并對泄漏位置水冷壁管進行編號，分別為管1（泄漏直管）、管2（有彎頭）、管3（有彎頭）。 表面滲透探傷后發現，從整體而言三根管子與鰭片上的橫向裂紋基本分布在圖4 中虛線框的范圍內，即彎管彎頭區域與垂直管段區域的交界位置。 其中管1 爆口呈橫向拉開，管壁無明顯減薄，爆口邊緣為鈍邊，爆口附近有多條與爆口平行的橫向裂紋。相鄰的燃盡風噴口彎管及鰭片也存在密集型橫向裂紋，具有明顯熱疲勞裂紋特征。 宏觀分析來看，橫向裂紋呈現熱疲勞特征。

圖4 8 號爐水冷壁泄漏位置滲透檢測

泄漏直管未見明顯脹粗現象，但在泄漏位置的背火面存在一定變形。

對管1 泄漏位置橫向裂紋中間沿軸線切開，發現所有裂紋都是從向火面中間起源。 使用體視顯微鏡對爆管向火面和背火面壁厚進行測量，分別為6.73 mm和6.84 mm，因此腐蝕減薄幾乎可以忽略。 爆口下側具有較多橫向裂紋，其中最深的一條長約5.46 mm，也幾乎即將裂穿，此外還有若干密集的小裂紋。

對管2 和管3 正中間沿軸線切開，發現表面存在較多密集小裂紋，但深度都較淺，管2 最深約0.37 mm，管3 最深約0.60 mm。 管2 與鰭片連接焊縫（靠近管1）表面也存在了局部橫向裂紋，其中有2 條裂紋已有一定的深度。

對管2 與管3 之間的鰭片裂紋沿中心縱向剖開，以觀察鰭片裂紋擴展的趨勢，結果如圖6 所示。 可以看出，該鰭片上的裂紋尚未發展到水冷壁管母材上，可能與焊縫根部未焊透存在一定的止裂效果有關。 若裂紋繼續沿著向火側焊縫向管子母材擴展，則存在造成管子泄漏的可能性。 而事實上，2018 年7 號爐水冷壁泄漏則是認為橫向裂紋從鰭片往兩邊擴展導致的。

圖6 鰭片與管3 連接處橫向裂紋擴展情況

因此，從這個角度考慮，管子母材、鰭片以及焊縫上的橫向裂紋的發展似乎并沒有優先的關系，可能從管子上直接起源，也可能從鰭片中間起源再擴展到管子上。 因此說明整個區域存在熱疲勞。

1.2 顯微組織分析

1.1.1 斷口顯微形貌分析

將圖5 中爆口上下斷面切割下來，使用體視鏡觀察，如圖7 所示。 可以看出，斷口從向火側外表面起源，并逐步向另一側發展，并且呈現出典型的“貝紋狀”疲勞紋理。 對斷口在掃描電鏡下進行觀察，顯微狀態下斷口疲勞紋理更加明顯，在高倍視野中仍可見明顯的平行擴展棱，平行紋理幾乎遍布整個斷口，如圖8 所示。

圖5 管1 縱截面形貌

圖7 爆口上下斷面宏觀形貌

圖8 斷口疲勞紋理的掃描電鏡形貌

1.1.2 橫向裂紋分析

對圖5 中管1 上長2.72 mm的橫向裂紋1 進行金相組織分析，結果如圖9 所示。 可以看出，向火面由于長期溫度較高，存在輕微的脫碳，金相組織由正常的“粒裝貝氏體+鐵素體+珠光體”轉變為“鐵素體+珠光體”。 裂紋整體呈穿晶擴展，擴展方向基本與表面垂直。 裂紋尖端較為圓鈍，不利于應力集中，說明裂紋擴展速率較慢，符合熱疲勞裂紋尖端的特征。 裂紋起源處存在局部的晶粒變形，由正常的等軸晶轉變為拉長狀態，如圖9（b）所示。

圖9 管1 上橫向裂紋金相組織

1.3 能譜分析

對管樣斷口進行能譜分析，以觀察斷面元素分布情況，能譜曲線如圖10 所示。 可以看出，斷口主要以鐵的氧化物為主，并夾雜著Si、Al、Ca、K等成分，并且斷口檢測出S 等具有腐蝕性元素，主要來自于燃燒的煤粉中。

圖10 斷口能譜分析曲線

對裂紋尖端進行面掃描以觀察各個元素的實際分布，如圖11 所示。 可以看出Cr主要偏聚在靠近金屬母材的一側，S 主要夾雜在氧化物中，靠近金屬母材一側濃度較高。

圖11 裂紋尖端元素分布情況

2 失效原因分析與討論

2.1 應力狀態分析

泄漏的垂直水冷壁管與燃盡風噴口彎管交界區域（包括管子、鰭片和焊縫）整體存在較為密集的橫向裂紋，泄漏位置斷口基本全部存在“貝紋狀”的疲勞裂紋擴展特征[2]，因此該區域的橫向裂紋與熱疲勞存在明顯的關聯[3]。 裂紋整體呈穿晶擴展，擴展方向基本與表面垂直，裂紋尖端較為圓鈍，不利于應力集中，說明裂紋擴展速率較慢，也符合熱疲勞裂紋尖端的特征。 較多裂紋起源處存在局部的晶粒變形，等軸晶轉變為拉長狀態，推測管子向火側表面存在著較高的張應力。

另外，8 號爐泄漏位置的2 號角水冷壁鰭片直接拉裂1 m以上，為嚴重拉裂，未泄漏的5 號角和3 號角也存在不同程度的鰭片拉裂；7 號爐同樣該位置在2018 年也出現過一次泄漏，鰭片也出現同樣的嚴重拉裂。 從這些現象分析垂直水冷壁管與燃盡風噴口彎管交界區域存在較大的結構應力，該結構應力與爐膛內外的溫差導致的交界區域兩側膨脹不一致息息相關。 并且隨著爐膛負荷的不斷變化，該結構應力也在整體變化中。

因此，造成垂直水冷壁管與燃盡風噴口彎管交界區域泄漏的主要原因是該區域存在熱疲勞和局部的結構應力。

泄漏位置管壁未見明顯減薄，通過能譜分析發現斷口及裂紋主要鐵氧化物為主，并夾雜著部分氧化鉻，同時發現存在S 元素，對裂紋擴展具有一定促進作用。 交變熱應力、腐蝕因素和管壁溫度的綜合影響，會促進腐蝕性介質（如硫化物）通過裂紋尖端逐漸向水冷壁母材滲透，形成溝槽，并逐漸擴展導致貫穿泄漏。

2.2 熱疲勞及應力來源分析

采用無分隔墻的八角雙火球切圓燃燒方式的全擺動燃燒器，布置于前后墻上，形成二個反向雙切圓，從而獲得沿爐膛水平斷面較為均勻的空氣動力場。 由于全部為垂直管屏，因此可以不必采用結構復雜的張力板來解決下部爐膛水冷壁的重量傳遞問題，為了使回路復雜的后水冷壁工作可靠，將后水冷壁出口集箱（折焰角斜坡管的出口集箱）出口工質分別送往后水冷壁吊掛管和水平煙道二側包墻二個平行回路，然后再用連接管送往頂棚出口集箱，與前水冷壁和二側水冷壁出口的工質匯合后再送往尾部包墻系統，這樣的布置方式對避免后水冷壁回路低負荷時發生水動力的不穩定性和減少溫度偏差方面較為合理和有利。

圖12 八角雙火球切圓燃燒方式

造成該區域熱疲勞及結構應力的可能因素有以下幾點。

（1）泄漏的垂直水冷壁管是燃盡風噴口凸出來的第一根管，較低溫度的燃盡風可能跟高溫煙氣交替洗刷該位置[4]，造成該位置也存在表面冷熱交變的情況造成熱疲勞。 這是八角雙切圓燃燒所帶來的結構性問題，資料顯示在以往四角切圓燃燒時類似位置也存在類似情況[5-7]。

（2）水冷壁管采用垂直布置，由于機組參與調峰，頻繁升降負荷，水冷壁內工質參數波動幅度及速率變化大，水冷壁溫度場不均衡，造成水冷壁相鄰管溫度梯度過大，以及負荷變化時壁溫波動較大的情況，產生巨大的熱應力。

（3）從現場來看，泄漏位置上方附近（距泄漏位置約1 ～1.5 m）存在一二個爐膛短吹（圖13），若吹灰器過熱度不足或吹灰帶水[8]，則有很大可能造成該區域冷熱交替頻繁造成金屬熱疲勞。 因此需要對這些吹灰進行檢查復核，進行優化吹灰邏輯、采取調整吹灰壓力等措施來提高吹灰蒸汽過熱度、消除吹灰帶水問題。

圖13 8 號爐泄漏及鰭片拉裂處的爐膛短吹

垂直水冷壁管與整個燃盡風噴口彎管區在鍋爐啟停以及負荷變化過程中膨脹狀態可能存在不一致[9-10]，鍋爐每次啟停或負荷變化，水冷壁管產生一次反向彎曲變形（尤其是第一根垂直水冷壁管），即經歷一次交變應力循環。 橫向開裂的水冷壁管段均有一定的彎曲變形，金相組織中較多裂紋起源處也存在局部的晶粒變形，推測該處管段向火側受到較大軸向應力。 冷—熱態變化時的交變軸向應力不僅導致管子變形，也是橫向開裂的應力來源。 另外，垂直水冷壁管與燃盡風噴口彎管區的膨脹不一致也可能是導致鰭片拉裂的根源。

3 處理措施

3.1 處理措施

（1）對8 號爐2 號角泄漏區域進行宏觀與測厚檢查，確定水冷壁更換三根管子；對焊工資質審核，制定規范的焊接工藝，焊前對管子及焊材進行光譜檢驗，并在施工現場進行監督，保證工藝的嚴格執行，確保檢修質量及管內清潔度，焊口最終檢驗合格。

（2）對2 號角換管區域進行擴大性PT檢查，著重檢查線性缺陷；對其他七個角進行擴大檢查，疑似缺陷部位進行打磨PT檢查。

（3）將八個角的燃盡風噴口彎管與垂直水冷壁管之間的鰭片割開，減小膨脹應力。

3.2 后續反措

（1）可調整節流圈孔徑尺寸，改變水冷壁出口端介質溫度及金屬壁溫，使溫度趨于均衡；在熱負荷波動劇烈區增加壁溫測點，監測管壁溫度變化速率，通過優化燃燒調整和給水自動調節，降低水冷壁過熱度變化速率和中間點溫度變化速率，控制壁溫波動幅度和速率。 運行中盡量避免水冷壁超溫及溫度大幅度波動，合理組織燃燒降低該區域熱負荷。

（2）開展燃燒調整試驗，合理分配氧量，減少燃燒器、燃盡風區域的還原性、腐蝕性氣體。

（3）每次計劃檢修時，對7、8 號爐燃盡風噴口位置和爐膛高負荷區域進行全面檢查，通過宏觀檢查、滲透、測厚等手段確定缺陷情況，以消除隱患。

4 結 論

（1）造成電廠8 號爐垂直水冷壁管與燃盡風噴口彎管交界區域泄漏的主要原因是該區域存在熱疲勞和局部的結構應力。

（2）造成熱疲勞的因素可能與以下因素有關：a）較低溫度的燃盡風與高溫煙氣交替洗刷管壁造成冷熱交變；b）水冷壁相鄰管溫度梯度過大或壁溫波動較大；c）吹灰器過熱度不足或吹灰帶水；d）垂直水冷壁管與燃盡風彎管區膨脹狀態不一致。