直流鍋爐側墻水冷壁出口集箱裂紋原因分析

刁云鵬，李文遠，張 良，劉兆千，劉維岐

(1.國電電力發(fā)展股份有限公司大連開發(fā)區(qū)熱電廠，遼寧 大連 116600；2.國電科學技術研究院，江蘇 南京 210023)

0 引言

某電廠350MW機組鍋爐型號HG-1125/25.4-HM2型鍋爐，一次中間再熱、單爐膛、墻式切圓煤粉燃燒器、尾部雙煙道、煙氣擋板調節(jié)再熱汽溫、平衡通風、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構π型超臨界本生直流鍋爐。鍋爐頂棚的標高為64.8m，前墻水冷壁出口集箱標高為66.1m，側墻水冷壁出口集箱為單根，長度為14.49m，管子外徑為273mm，壁厚65mm，材質為15 CrMoG，頂棚標高為65.8m，單側入口管子布置265根，管子外徑為32mm，壁厚6.2mm，材質為12 Cr1MoVG，管間節(jié)距為55mm。左、右側墻水冷壁出口集箱出口聯(lián)接管各5根，聯(lián)接管外徑為168mm，壁厚為35mm，材質為15CrMoG，兩側集箱各由19件剛性吊桿懸掛在鍋爐鋼結構支吊梁上。機組運行期間發(fā)生鍋爐受熱面泄漏事件，嚴重影響機組安全運行。

1 水冷壁出口集箱裂紋、泄漏原因分析

1.1 主要原因

近年來，隨著風電不斷發(fā)展，火電機組年利用小時數(shù)不斷降低[1]。兩臺機組自2012年投運后，為配合風電，機組運行期間受調度調峰指令頻繁，需要快速升降負荷。2014年以來，風電負荷率大大提高，負荷經常由260MW直降至165MW，負荷升降率也按省調要求提高到4.5MW/min[2]。由于機組運行期間，頻繁且快速升降負荷，出口集箱水冷壁角焊縫受到交變應力影響較大，使側墻水冷壁出口集箱產生金屬疲勞[3]，逐步在集箱管座角焊縫處產生裂紋和泄漏，甚至集箱母材亦產生裂紋[4]。

1.2 其他原因

鍋爐兩側墻水冷壁管子裂紋情況為：前側管子裂紋普遍向前，后側管子裂紋普遍向后，與集箱膨脹方向一致[5]。側墻水冷壁出口集箱是單根，機組運行期間，受溫度變化影響，與入口管子膨脹不一致，管子膨脹受阻，向兩側拉伸[6]；且入口管為膜式鰭片連接，光管距離短，僅為400mm，不能充分吸收管子所受的膨脹力，最終導致入口管子及集箱母材拉裂、泄漏[7]。

2 鍋爐側墻水冷壁出口集箱技術改造

2.1 應力分析

集箱管座與鰭片終止處的所需最小高度由公式(1)計算[4]：

(1)

式中：Ec為冷態(tài)彈性模量；D為管子外徑；△為最大熱態(tài)膨脹差，由以下公式(2)計算得出；Sa用于溫差應力的許用應力，由以下公式(3)計算得出。

(2)

Sa=0.6×[1.25×(Sc+Sh)-S1-S2]

(3)

式中：L為集箱長度；γ集箱為集箱運行溫度下的線膨脹系數(shù)；γ管子為水冷壁管子運行溫度下的線膨脹系數(shù)；Sc為冷態(tài)許用應力；Sh為熱態(tài)許用應力；S1為內壓引起的軸向應力，由以下公式(4)計算；S2為自重引起的軸向應力，由以下公式(5)計算[8]。

(4)

(5)

式中：P為設計壓力；d為管子內徑；G為爐墻重量；N為直管子根數(shù)。

按上述理論計算，集箱與管墻最大允許溫差與集箱長度和集箱與鰭片終止處高度差有關。原設計的集箱長度為14.489m，集箱與鰭片終止處高度差為400mm，計算得管墻與集箱最大允許溫差為15℃。鍋爐運行負荷變化過快，容易導致集箱和管墻的溫差超出設計允許值，導致管座熱應力超過許用應力，長期的快速升降負荷使集箱管座處出現(xiàn)疲勞裂紋。

通過理論計算并結合設備運行情況，提出了集箱分段和集箱抬高的改造方案。其中集箱分段的目的是通過降低集箱長度，減小管墻與集箱的最大熱態(tài)膨脹差。集箱抬高的目的是增加集箱與鰭片終止處高度差，通過增加光管長度來增加管接頭的柔性，提高吸收膨脹差的能力。

2.2 集箱分段改造

原側墻水冷壁出口集箱為單根集箱，長度為14.489m，因整根集箱過長、膨脹不暢。根據集箱出口導汽管分布情況，將整根集箱改造為單側3個獨立的出口集箱，分為前段、中段、后段集箱，以改變集箱膨脹中心的位置，最大限度的減少集箱管座根部的熱應力。其中前段集箱配置一根出口導汽管，中段和后段集箱各配置兩根出口導汽管。

2.3 集箱抬高改造

根據原設備圖紙及現(xiàn)場實際勘察結果，側墻改造后的前段集箱可抬高400mm，標高由65400提高至65800mm；后段集箱可抬高300mm，標高由65400提高至65700mm。經計算，集箱抬高后，光管長度增長，能夠充分吸收管子膨脹。因此，確定改造后的集箱高度為前段、中段集箱抬高400mm；后段集箱抬高300mm。

2.4 集箱支吊架改造

集箱改造后，吊架承重無變化，因此吊架強度不變；長度發(fā)生變化，花籃螺母上部吊桿對應縮短，更換新吊桿，重新連接固定即可。

3 結語

鍋爐側墻水冷壁出口集箱改造施工于2015年6月結束，改造范圍內設備至今未發(fā)現(xiàn)類似缺陷。徹底解決了集箱入口管子膨脹受阻、應力集中的問題，消除了機組運行或啟停期間因溫度變化引起的入口管子根部焊縫及集箱母材裂紋、泄漏的重大設備隱患，尤其是鍋爐頂棚大包內側墻水冷壁出口集箱及管座焊縫頻繁泄漏、集箱管間母材裂紋的問題，為機組長期處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)提供了必要條件，保障機組冬季供暖的可靠性。同時機組檢修期間，鍋爐側墻水冷壁出口集箱不再需要整體打磨、檢測、消缺，降低了檢修成本，縮短了鍋爐整體檢修工期。