超臨界塔式直流鍋爐水冷壁失效分析及處理

史海濤

（神華國能哈密電廠，新疆 哈密 839000）

電力是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈，而火力發(fā)電作為我國現(xiàn)階段最主要的能源供應方式，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的促進作用。電站鍋爐作為火力發(fā)電廠的核心設備，其能否安全可靠的運行將對國民經(jīng)濟產(chǎn)生重要影響。自2015 年7 月四臺機組全部投入運營以來，多次發(fā)生因人孔門部位水冷壁管泄漏導致的機組停運，其爆漏問題是影響發(fā)電機組穩(wěn)定運行的主要隱患之一。

1 項目概況

神華國能哈密電廠4×660MW 超臨界壓力直流鍋爐為2236t/h 超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒（對沖同心正反切圓燃燒系統(tǒng)）、擺動噴嘴調(diào)溫、一次再熱、平衡通風、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉布置、采用干式撈渣機固態(tài)排渣的鍋爐。鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)SG-2236/25.4-M6007 型鍋爐，是為燃燒新疆高堿金屬煤質(zhì)首次設計產(chǎn)品。四臺機組同步設計，同步施工，分別于2015 年5 月、2014 年12 月、2015 年1 月、2015 年7 月移交商業(yè)運營。

垂直蒸發(fā)段水冷壁分兩部分，下段四側(cè)各有386 根管子，管子規(guī)格Φ35×7mm，材質(zhì)12Cr1MoVG，管間距為55mm，鰭片規(guī)格為6×20mm，材質(zhì)為SA387-Gr22CL1；上段四側(cè)各有193 根管子，管子規(guī)格Φ38×6.5mm，材質(zhì)12Cr1MoVG，管間距為110mm，鰭片規(guī)格為6×72mm，材質(zhì)為SA387-Gr22CL1。在標高為82.36m 處，四側(cè)各有193 個Y 型三通，每側(cè)386 根管變?yōu)?93 根管。在標高95.98mn 處，四側(cè)各有193 個T 型彎頭，彎頭流通處引出至水冷壁出口集箱，垂直向上部分起懸吊作用，不通過介質(zhì)。

水冷壁螺旋段布置人孔門共2 個，垂直蒸發(fā)段水冷壁Y型三通以下布置人孔門共8 個，Y 型三通至水冷壁出口布置人孔門共12 個，水冷壁圍墻段布置人孔門共2 個。

截止2018 年9 月30 日，1 號機組累積運行20830h，啟停19 次；2 號機組累積運行24019h，啟停18 次；3 號機組累積運行23064h，啟停25 次；4 號機組累積運行19157h，啟停19 次。因人孔門部位水冷壁管泄漏造成的停機達三次，給機組的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大隱患。

2 人孔門部位水冷壁裂紋檢查情況

（1）發(fā)生泄漏部位人孔門設計結(jié)構(gòu)。人孔門部位水冷壁讓管與鍋爐爐墻垂直布置，密封盒內(nèi)部采用耐火澆注料填充。密封盒角部與水冷壁連接位置設有埋件，埋件與水冷壁管滿焊，形成一個密閉腔室。人孔門密封盒與爐墻采用內(nèi)外部滿焊結(jié)構(gòu)，焊縫布置較多。

圖1 垂直蒸發(fā)段水冷壁人孔門結(jié)構(gòu)

（2）泄漏照片（圖2、圖3）。泄漏部位為人孔門密封盒及其預埋件與水冷壁管焊接位置，及與埋件對應的管子向火側(cè)100 ～200mm 范圍內(nèi)區(qū)域。

圖2 泄漏部位外部

圖3 泄漏部位內(nèi)部

（3）結(jié)合機組停備檢修對密封盒及埋件與水冷壁焊接位置進行著色檢查、對埋件對應的水冷壁向火側(cè)位置進行著色檢查：1 號爐檢測水冷壁垂直蒸發(fā)段人孔門共18 個，1 個人孔門發(fā)現(xiàn)裂紋；2 號爐檢測水冷壁垂直蒸發(fā)段人孔門共22個，5 個人孔門發(fā)現(xiàn)裂紋；3 號爐檢測水冷壁垂直蒸發(fā)段人孔門共20 個，6 個人孔門發(fā)現(xiàn)裂紋；4 號爐檢測水冷壁人孔門共22 個，8 個人孔門發(fā)現(xiàn)裂紋。存在裂紋的水冷壁管多位于鍋爐標高71 ～88m 區(qū)域。

宏觀檢查人孔門內(nèi)部水冷壁管變形嚴重，對泄漏管子更換割取過程中，管子存在較大應力，管子割開后變形量超過管子直徑。

表1

對人孔門附近具有類似結(jié)構(gòu)的吹灰器密封盒與水冷壁管連接位置內(nèi)、外部進行打磨后著色檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋；

該位置運行過程中爐墻晃動嚴重，對水冷壁剛性梁進行檢查，發(fā)現(xiàn)該部位剛性梁銷軸由下往上穿裝，上部采用螺栓固定，未能形成有效的剛性連接，運行過程中大量銷軸脫落。同時，發(fā)現(xiàn)部分銷軸連接板安裝時存在擴孔現(xiàn)象，嚴重超出了原設計配合間隙，降低了剛性梁對水冷壁的約束力。

使用NITION XL2 800 型手持元素分析儀對泄漏部位管子進行材質(zhì)復查，實測管子材質(zhì)為12Cr1MoV，管子材質(zhì)與設計相符合。泄漏管子成分見表1。

使用Equotip3 型便攜式金屬硬度檢測儀對泄漏部位上部300mm 位置管子進行硬度檢查，硬度值在標準范圍內(nèi)，檢測數(shù)據(jù)見表2。對泄漏部位管子進行金相組織分析，組織成分未見異常（圖4）。

表2

圖4 爆口附近金相組織

3 原因分析

經(jīng)對泄漏部位的檢查，裂口部位在交變應力作用下，經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)生裂紋，裂口附近沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預兆，而是突然破壞，為明顯的疲勞失效。

（1）水冷壁埋件設計不合理，埋件直接焊接在水冷壁管上，且與密封盒焊縫形成十字交叉焊縫，產(chǎn)生較大的殘余應力，在焊縫熔合線位置疲勞開裂。

（2）人孔門設計有待優(yōu)化，人孔門部位水冷壁讓管與鍋爐爐墻垂直布置，增加了人孔門密封盒厚度，密封盒內(nèi)部采用耐火澆注料填充，重量較大，增加水冷壁管與密封盒連接部位應力。宏觀檢查人孔門部位水冷壁管變形嚴重，由人孔門部位水冷壁管檢查結(jié)果及附近采用類似密封結(jié)構(gòu)的吹灰器部位水冷壁管檢查結(jié)果對比得出：人孔門密封盒尺寸較大，運行過程中，密封盒與水冷壁管膨脹不同步，機組啟停過程中產(chǎn)生較大應力。

（3）水冷壁剛性梁銷軸由下向上安裝，且為螺栓連接，鍋爐運行后銷軸受熱膨脹，鍋爐晃動加劇了銷軸脫落；或安裝過程中存在擴孔將原設計的過盈配合改為間隙配合；運行中失去剛性梁對水冷壁的約束，水冷壁晃動加劇，加速水冷壁撕裂。

（4）我廠機組屬于調(diào)峰機組，水冷壁管與密封盒連接部位存在較大應力，隨著運行時間的增長，水冷壁從應力集中部位疲勞開裂。

4 結(jié)論

爆管原因為：鍋爐處于調(diào)峰運行狀態(tài)，負荷變化頻繁，升降負荷速率較快，并且隨著鍋爐運行爐墻晃動較大，人孔門部位水冷壁管在長期交變應力的作用下于應力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋。機組調(diào)峰運行過程中裂紋快速延伸導致爆管。

5 處理措施

（1）對人孔門結(jié)構(gòu)重新選型，將人孔門部位水冷壁讓管與鍋爐爐墻垂直布置改為水冷壁讓管與鍋爐爐墻平行布置，減小人孔門密封盒厚度。

（2）縮小人孔門尺寸，減小密封盒結(jié)構(gòu)的同時，減少了耐火澆注料的使用量，降低人孔門結(jié)構(gòu)的整體重量。通過減小密封盒結(jié)構(gòu)，減小密封盒對水冷壁管膨脹的約束，有效降低了應力。

（3）優(yōu)化人孔門密封盒與水冷壁連接焊縫。在水冷壁管背火側(cè)增加半月板型埋件，埋件內(nèi)徑與水冷壁管外徑相同，埋件緊貼水冷壁管布置，兩側(cè)與水冷壁鰭片焊接，避免結(jié)構(gòu)件與水冷壁管焊接，殘生殘余應力。將人孔門密封盒與水冷壁直接焊接結(jié)構(gòu)更改成人孔門密封盒與半月板埋件單面焊接。從而有效減小密封盒與水冷壁管膨脹不均產(chǎn)生的應力直接作用在水冷壁管上。密封盒內(nèi)部采用耐火澆注料填充，保證爐墻保溫效果，同時減小人孔門漏風。

（4）改進后的人孔門密封結(jié)構(gòu)外部增加硅酸鋁保溫棉厚度，減小重量的同時保證鍋爐運行中人孔門區(qū)域不超溫。

（5）排查剛性梁銷軸脫落情況，優(yōu)先將鍋爐角部銷軸更換為新型銷軸（新型銷軸采用過盈配合，銷軸從下往上穿裝，上部采用全焊接結(jié)構(gòu)固定，避免銷軸脫落）。制定銷軸更換計劃，逐步更換整臺鍋爐銷軸。

（6）檢查銷軸連接板擴孔情況，結(jié)合銷軸更換工作，將擴孔后的連接板一同更換。從而加強剛性梁對鍋爐水冷壁的橫向約束力，減小鍋爐運行中的晃動情況。

6 結(jié)語

鍋爐應力是不可消除的，鍋爐在設計、制造時應充分考慮鍋爐結(jié)構(gòu)設計，減小外部結(jié)構(gòu)對承壓部件的剛性束縛；同時，需考慮連接件的結(jié)構(gòu)，避免運行中連接件脫落失去剛性連接。安裝過程中，應按設計進行安裝，嚴禁私自變更設計的配合間隙。運行過程中，嚴格按照機組運行曲線操作（控制溫度、壓力調(diào)整速率）。檢修時，加強對應力集中部位的檢查，及時發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患。

通過以上措施的執(zhí)行，逐步優(yōu)化四臺鍋爐人孔門部位水冷壁及密封盒結(jié)構(gòu)，有效控制了我廠因人孔門部位水冷壁失效造成的機組非停，提高了機組運行可靠性。