超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋分析及治理

于程煒

(天津國華盤山發(fā)電有限責任公司，天津 301900)

超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋分析及治理

于程煒

(天津國華盤山發(fā)電有限責任公司，天津 301900)

針對鍋爐下輻射區(qū)Ⅱ段水冷壁管向火側(cè)母材存在大量橫向裂紋造成泄漏的情況，對有裂紋的水冷壁管進行了失效分析。結(jié)果表明：熱應力引起煙氣側(cè)外壁向內(nèi)壁的熱疲勞是水冷壁開裂的誘因，同時高溫硫腐蝕加速了損壞。結(jié)合鍋爐運行的實際情況，指出鍋爐水吹灰是造成橫向裂紋的直接原因，并對其進行了相應改造，徹底解決了水冷壁橫向裂紋的問題。

水冷壁；橫向裂紋；原因分析；治理

1 概述

1.1 機組簡介

某電廠安裝2臺從前蘇聯(lián)成套引進的500 MW超臨界燃煤發(fā)電機組，此機組由莫斯科火電設計院和華北電力設計院聯(lián)合設計。鍋爐為俄羅斯波道爾斯克奧爾忠尼啟澤機器制造廠制造的Пп-1650-25-545К Т(П-76型)超臨界壓力、直流、一次中間再熱、平衡通風的固態(tài)排渣煤粉爐，其主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐的主要設計參數(shù)

鍋爐設計為室內(nèi)布置，單爐膛全懸吊結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)各有一對流豎井，爐本體呈“T”型結(jié)構(gòu)。爐膛斷面為23 080 mm×13 864 mm矩形，爐膛四壁為Φ32×6-12Cr1MoV的膜式水冷壁。鍋爐一、二次汽水以爐膛前、后墻中心線為界分為左、右對稱的獨立流程，每個流程的給水、汽溫調(diào)節(jié)相互獨立。爐膛受熱面為垂直往復一次上升布置，標高44.7 m以上為上輻射區(qū)，標高44.7 m以下為下輻射區(qū)。下輻射區(qū)前、后墻分別有6個組件，兩側(cè)墻各有10個組件，前后墻相鄰的3個組件與側(cè)墻的半個組件組成下輻射Ⅰ，側(cè)墻每4個組件與相鄰的半個組件構(gòu)成下輻射Ⅱ；上輻射區(qū)前后墻各有6個組件，組成上輻射Ⅰ，兩側(cè)墻各有10個組件，組成上輻射Ⅱ。每個組件均由48根水冷壁組成。

一次汽水流程由省煤器、下輻射Ⅰ、下輻射Ⅱ、上輻射Ⅰ、上輻射Ⅱ、汽-汽交換器、頂棚和包墻受熱面、內(nèi)置閥門、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ級屏式過熱器和高溫過熱器組成。在鍋爐的2個流程中，給水進入省煤器前設有旁路，即21 %旁路，此旁路設有截門，在下輻射Ⅱ入口與主給水匯合，其目的是減小下輻射Ⅰ和下輻射Ⅱ的出口工質(zhì)溫差，從而降低下輻射Ⅰ和下輻射Ⅱ相鄰管之間的應力，但這也降低了下輻射Ⅰ工質(zhì)的質(zhì)量流量。

二次汽水流程由汽-汽交換器、冷段再熱器、熱段再熱器組成。沿煙氣流程在爐膛頂部及水平煙道內(nèi)布置有3組屏式過熱器、高溫對流再熱器、對流過熱器，對流豎井內(nèi)布置有低溫再熱器、省煤器。

鍋爐共有8套制粉系統(tǒng)，8臺ZGM-95G型中速輥式磨煤機(每臺自帶4只旋流燃燒器)，分4層布置，每層共8只，分列于左、右側(cè)墻形成對沖燃燒方式。

1.2 存在的缺陷

2008年6月和9月，在對1號鍋爐進行防磨防爆檢查時發(fā)現(xiàn)：下輻射區(qū)Ⅱ段水冷壁管向火側(cè)母材存在大量橫向裂紋，且已造成泄漏。發(fā)生泄漏的管子為1號爐下輻射區(qū)II段水冷壁管，標高38 m，位于熱負荷最高區(qū)域，材質(zhì)為12Cr1MoV，規(guī)格為Φ32×6 mm。該部位介質(zhì)溫度450 ℃、壓力27.8 MPa，運行時間88 000 h左右。此缺陷對水冷壁的正常工作帶來嚴重隱患。

2 檢驗標準

火電廠金屬管壁的檢驗標準如下：

(1) GB5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》；

(2) DL/T438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》；

(3) GB/T231.1—2002《金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法》；

(4) GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》；

(5) DL/T884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導則》；

(6) DL/T939—2005《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗技術(shù)導則》。

3 試驗內(nèi)容

3.1 宏觀檢查

對管子進行宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：該失效水冷壁管的向火側(cè)表面為紅色結(jié)垢特征，整個表面分布大量平行的橫向條紋，主爆口為貫穿整個向火側(cè)橫向穿透裂紋，裂紋呈縫隙狀，張口較小，裂紋附近基本無塑性變形。背火側(cè)無垢樣堆積，但主爆口背面表層腐蝕產(chǎn)物有密集條紋特征。

對電廠已解剖的1號、2號管樣的剖面觀察發(fā)現(xiàn)：在向火側(cè)外壁有大量的橫向微裂紋，裂紋走向從外壁向內(nèi)壁直線擴展，有較明顯的向火面熱疲勞裂紋特征，如圖1所示。

3.2 硬度檢驗

依據(jù)GB/T 231.1-2002《金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法》進行布氏硬度測量。采用HBRVU-187.5型布洛維硬度計，試驗條件：鋼球直徑2.5 mm，負荷P＝187.5 kg，負荷保持時間10 s。試驗過程中，試樣表面光滑、平坦、無氧化皮和污物。

圖1 裂紋表面形貌

對金相表面進行硬度測量時，確保對壓痕直徑進行精確測量。對爆口處A環(huán)樣和1號樣的硬度統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 布氏硬度測試結(jié)果HB

試驗結(jié)果表明：A樣及1號樣硬度值均滿足DL438的控制范圍，爆口處的硬度與遠離爆口處的硬度相當，爆口附近材質(zhì)仍保持較高硬度。

3.3 拉伸檢驗

依據(jù)GB/T228-2002，在MTS-810電液伺服試驗機上進行拉伸檢驗。選取試樣背火面進行檢驗，加載位移速率2 mm/min，條件屈服強度使用引伸計測定，采用弧形試樣，并保留試樣原始表面狀態(tài)，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 室溫拉伸強度

結(jié)果表明：送檢材質(zhì)的拉伸強度、塑性均滿足GB5310和DL438的要求。

3.4 金相檢驗

依據(jù)DLT884—2004對管樣進行金相檢驗，主要觀察了爆口處、遠離爆口處的顯微組織結(jié)構(gòu)。

金相檢驗結(jié)果表明：爆口及遠離爆口處的基體組織為鐵素體、珠光體和少量貝氏體，珠光體片層分散但仍保持原區(qū)域形態(tài)存在，老化2級。

在向火面存在大量的橫向裂紋，多數(shù)裂紋形態(tài)為楔形，從外壁向內(nèi)壁擴展。裂紋區(qū)域內(nèi)存在氧化腐蝕產(chǎn)物，部分裂紋端部為圓鈍形；另有部分裂紋底部呈現(xiàn)尖銳裂紋擴展，裂紋擴展形式為穿晶特征。背火面的內(nèi)外壁未發(fā)現(xiàn)裂紋。此種“開裂→鈍化→開裂”的形式為明顯的腐蝕性熱疲勞裂紋特征。1號向火側(cè)有縱向外壁裂紋和主裂紋，如圖1所示。組織檢驗結(jié)果如表4所示。

圖2 1號向火側(cè)的縱向外壁裂紋和主裂紋

表4 組織檢驗結(jié)果

3.5 掃描電鏡觀察

利用Tescan掃描電鏡，觀察試樣外表面和金相樣。為進一步觀察完整的失效斷口，在斷口的裂紋尖端附近解剖，并將斷口置于液氮淬冷掰斷后再觀察斷口。掃描電鏡結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在原斷口上雖有高溫氧化后的特征，但仍可觀察到大量的腐蝕疲勞弧線特征。疲勞特征從外壁向內(nèi)壁延伸，部分區(qū)域有二次裂紋和腐蝕坑特征，如圖3～6所示。

圖3 向火側(cè)外壁——爆口附近外壁垢樣特征

圖4 金相樣——爆口附近外壁垢樣特征(150×)

圖5 局部有二次裂紋裂紋特征(509×)

圖6 部分區(qū)域有腐蝕特征(566×)

3.6 能譜分析

在掃描電鏡觀察的基礎(chǔ)上，對失效管外壁的垢樣及裂紋處的成分進行能譜分析。

試驗儀器：TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡、EDAX GENESIS 2000X Ray能譜儀。

分析方法：半定量。

對向火側(cè)表層垢樣成分進行分析，結(jié)果表明：主要為煙灰成分，且含有較高濃度的硫元素。

對A樣外壁裂紋區(qū)域內(nèi)成分進行能譜分析時發(fā)現(xiàn)：該區(qū)域內(nèi)存在一定濃度的硫、氧等腐蝕性元素，對某裂紋內(nèi)壁擴展的區(qū)域成分進行能譜掃描，如圖7所示。

圖7 某裂紋內(nèi)壁區(qū)域的能譜掃描

掃描結(jié)果表明：硫、氧等元素的濃度逐漸降低，但仍保持較高濃度范圍，其具體結(jié)果如表5所示。

表5 裂紋內(nèi)各測點對應的成分含量Wt %

4 結(jié)果分析

對泄漏的水冷壁管進行綜合檢驗并進行分析。

對各部位的金屬材質(zhì)檢驗，其結(jié)果表明：所用管材拉伸強度、塑性均符合GB5310和DL438技術(shù)條件要求，背火面的抗拉強度在520 MPa，爆口附近硬度無變化，管材硬度大致為HB160；金相組織為鐵素體、聚集形態(tài)珠光體，金相組織正常，材質(zhì)處于老化的初、中期階段。

對水冷壁失效管段的力學性能和組織檢驗，其結(jié)果表明：所用管材無原始質(zhì)量問題，材質(zhì)也未明顯受到短時或長時過熱的影響。

對爆口的宏觀檢驗表明：該失效水冷壁管的向火側(cè)表面為淡紅色結(jié)垢特征，在整個向火側(cè)表面分布大量的橫向條紋，主爆口為貫穿整個向火側(cè)的橫向穿透裂紋；主爆口背面的氧化皮宏觀有密集條紋特征，但金屬基體無裂紋。

對裂紋的微觀檢驗結(jié)果表明：在向火面存在大量平行的橫向裂紋，多數(shù)裂紋形態(tài)為楔形，從外壁向內(nèi)壁擴展，裂紋內(nèi)存在氧化腐蝕產(chǎn)物，主裂紋附近的金屬有氧化特征；部分裂紋端部呈圓鈍形，且部分裂紋底部有尖銳裂紋擴展，裂紋擴展形式為穿晶特征。這種形式的裂紋說明：當熱應力較小時，以氧化腐蝕為主，此時裂紋擴展較慢、裂紋端部為圓鈍狀；當熱應力增大時，裂紋快速穿晶擴展，底部出現(xiàn)尖銳的裂紋。此種“開裂→鈍化→開裂”的形式為明顯的腐蝕性熱疲勞裂紋特征。從裂紋表現(xiàn)形式可知：應力因素在裂紋開裂中的作用要大于腐蝕因素。

對向火側(cè)表層的垢樣成分分析，其結(jié)果表明：該垢樣主要為煙灰成分，且含有較高濃度的硫等腐蝕性元素。

材質(zhì)性能及金相結(jié)果表明：材質(zhì)運行階段受到了較嚴重的腐蝕性熱疲勞，從而導致水冷壁泄漏。腐蝕性熱疲勞是材料在循環(huán)載荷和腐蝕環(huán)境協(xié)同、交互作用下，因開裂或斷裂提前失效的現(xiàn)象。從裂紋的宏觀、微觀表現(xiàn)形式反映，應力因素在本次水冷壁裂紋開裂中的作用要大于腐蝕因素。

5 對水吹灰分析

通過上述分析可知，熱應力因素是導致該鍋爐水冷壁產(chǎn)生橫向裂紋的主要因素，只有降低或消除熱應力，才能從根本上解決橫向裂紋問題。

該爐共有8臺克萊德貝爾格曼公司生產(chǎn)的WLB-90型水力吹灰器，分別安裝在水冷壁標高33 m處爐膛四角和水冷壁標高18.6 m處爐膛四角，其作用是清除燃燒褐煤的鍋爐在爐膛水冷壁上形成的結(jié)焦，并通過一束集中的水柱穿過爐膛并撞擊爐墻上結(jié)焦區(qū)域來實現(xiàn)清掃效果。該吹灰器安裝在一個連接箱上向著爐膛的開孔中的萬向節(jié)里。吹灰管通過導軌在水平和垂直方向上移動，其特殊噴嘴所產(chǎn)生的水柱在對面爐膛形成一條蜿蜒的軌跡，程控系統(tǒng)確保吹掃曲線能夠適應爐膛的幾何形狀，并能控制供水系統(tǒng)及實現(xiàn)整體監(jiān)控功能。吹灰系統(tǒng)取用消防水作為水源，在正常情況下消防水溫度常年保持在10～20 ℃之間。

水吹灰是指在鍋爐運行中利用常溫水噴至水冷壁表面，使高溫的水冷壁管和管表面的積灰和結(jié)焦急速冷卻收縮，從而促使積灰和結(jié)焦迅速脫落，以保證水冷壁管表面潔凈，提高換熱效率。在吹灰水噴至水冷壁表面時，水冷壁表面被急劇冷卻而收縮，產(chǎn)生很大的拉應力，這就是造成該區(qū)域水冷壁表面熱應力的根本原因。因此，取消水吹灰是解決該區(qū)域水冷壁表面熱應力的根本辦法。但是，通過對積灰結(jié)焦情況和鍋爐爐膛火焰燃燒的分析表明，采用其他的吹灰方式不可能達到吹灰的基本要求，難以保證鍋爐的穩(wěn)定運行。

雖然水吹灰不能夠改變，但減少吹灰頻率和吹灰水流量也可降低對水冷壁表面的沖擊，從而減小熱應力，降低熱應力的頻次，減少橫向裂紋。

基于以上的分析，檢修人員與運行人員對水吹灰頻次和水吹灰流量進行了調(diào)整，其次數(shù)由調(diào)整前的1天2次改為2天3次；同時調(diào)整了水吹灰噴嘴的直徑，將每天水吹灰的耗水量降至49.8 %。調(diào)整后的水吹灰，不僅保證了鍋爐穩(wěn)定運行的需要，還消除了相應區(qū)域中橫向裂紋的產(chǎn)生。

6 結(jié)束語

失效分析認為：水冷壁管橫向裂紋是由熱應力導致的煙氣側(cè)由外壁向內(nèi)壁的熱疲勞開裂造成的，同時高溫硫腐蝕促進了損壞。當材質(zhì)自身的性能和組織正常時，水吹灰是造成熱應力的主要因素。因此，合理減少水吹灰的頻次和調(diào)整水吹灰噴嘴直徑，可有效地解決水冷壁橫向裂紋問題。

1 火力發(fā)電廠金屬材料手冊編委會．火力發(fā)電廠金屬材料手冊[M]．北京：中國電力出版社，2004．

2012-09-12)