超超臨界鍋爐水冷壁鰭片裂紋原因分析及整治

王金瀠

（國投云頂湄洲灣電力有限公司 莆田 351100）

水冷壁是電站鍋爐的主要受熱面，一般采用膜式水冷壁，主要作用是吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量。一旦水冷壁鰭片有開裂情況，會導(dǎo)致爐膛熱量損失，并破壞爐墻連續(xù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)鰭片裂紋繼續(xù)擴展至水冷壁母管，會導(dǎo)致水冷壁蒸汽泄漏，是導(dǎo)致鍋爐非計劃停運的主要因素之一，給鍋爐的安全運行構(gòu)成嚴重威脅[1]。

1 前墻水冷壁鰭片開裂

筆得單位的2 臺超超臨界鍋爐為π 型鍋爐，于2018年投入運行。在2021年機組檢修時，均發(fā)現(xiàn)前墻水冷壁向爐內(nèi)凹陷，凹陷部位鰭片開裂，鰭片裂紋從前墻水冷壁上集箱至中間集箱附近，見圖1，并且發(fā)生多次因鰭片裂紋擴展至母管而導(dǎo)致的蒸汽泄漏事件，見圖2[2]。

圖1 前墻垂直水冷壁鰭片開裂

2 原因分析

2.1 理論設(shè)計

上海鍋爐廠原設(shè)計水冷壁管與內(nèi)綁帶分別在鍋爐中心（膨脹死點）、爐左角部、爐右角部焊接固定，其余位置采用插銷固定，使內(nèi)綁帶和水冷壁貼合，保證水冷壁屏有水平鋼性，如圖3～圖5所示。鍋爐熱態(tài)時，水冷壁由鍋爐中點分別向左右膨脹，內(nèi)綁帶中點和兩端都與水冷壁為焊接固定，將一同和水冷壁向左右膨脹[3]。

圖3 內(nèi)綁帶膨脹死點設(shè)計圖

圖4 水冷壁內(nèi)綁帶中部結(jié)構(gòu)圖

圖5 水冷壁內(nèi)綁帶角部結(jié)構(gòu)圖

2.2 安裝缺陷

拆除前墻水冷壁保溫檢查，發(fā)現(xiàn)多處安裝缺陷：1）內(nèi)綁帶與外護板連接的部分滑塊卡死變形，見圖6；2）鰭片開裂處，水冷壁與內(nèi)綁帶固定插銷基建時已被切割一半，見圖7；3）有一處內(nèi)綁帶與水冷壁角部固定焊縫開裂，見圖8；4）前墻水冷壁只有第2 層、第3 層、第10 層剛性梁進行了膨脹死點焊接，其他8層剛性梁都未進行焊接。

圖6 內(nèi)綁帶與外護板連接的滑塊卡死變形

圖7 水冷壁與內(nèi)綁帶固定插銷被切割一半

2.3 綜合分析

百萬π 型爐前墻垂直段水冷壁的寬度約34～35 m，大跨度的水冷壁加之爐膛溫度高，鍋爐不可避免地產(chǎn)生運行應(yīng)力，如圖9所示。正常情況下，產(chǎn)生的應(yīng)力需通過外部結(jié)構(gòu)進行釋放，因此在水冷壁剛性梁、懸吊結(jié)構(gòu)上考慮了預(yù)偏、安裝間隙、插銷等措施。

前墻水冷壁在實際運行中，水冷壁左右膨脹時，內(nèi)綁帶位于水冷壁外側(cè)，溫度和水冷壁有差異，因此膨脹量不同；由于安裝缺陷導(dǎo)致內(nèi)綁帶與外部鋼梁連接的滑塊卡死變形，限制了內(nèi)綁帶的膨脹，內(nèi)綁帶從而限制了水冷壁的左右膨脹，水冷壁只能向爐內(nèi)膨脹，最終導(dǎo)致鰭片開裂，被切割成一半的固定插銷強度不足，不能將水冷壁與內(nèi)綁帶固定住，也導(dǎo)致水冷壁容易向爐內(nèi)凹陷，如圖10、圖11所示。此外部分水冷壁剛性梁中部膨脹死點未焊接，導(dǎo)致水冷壁無法均勻地向左右兩側(cè)膨脹[4]。

圖10 水冷壁與內(nèi)綁帶滑動系統(tǒng)示意圖

圖11 水冷壁與內(nèi)綁帶滑動受阻導(dǎo)致鰭片開裂

3 整治方案

3.1 安裝缺陷整改

●3.1.1 膨脹零點漏焊接

將前墻垂直水冷壁膨脹零點恢復(fù)設(shè)計狀態(tài)，即第2 層、第3 層、第10 層剛性梁采用預(yù)埋件方式進行膨脹零點焊接，其他8 層采用梳形板方式進行膨脹零點焊接。

●3.1.2 滑動向?qū)О惭b缺陷

由于墻面不平整或得安裝時沒有按照剛性梁間隙要求進行安裝甚至部分焊死，導(dǎo)向裝置預(yù)留膨脹間隙不足，導(dǎo)致膨脹受阻，如圖12所示。

圖12 滑動導(dǎo)向裝置安裝圖

3.2 剛性梁優(yōu)化

對于π 型鍋爐，剛性梁采用的是內(nèi)綁帶結(jié)構(gòu)，其端部為梳形板結(jié)構(gòu)，中部與兩端均與水冷壁焊接，與水冷壁同步膨脹。實際運行中由于各種原因兩得之間存在溫度梯度差，膨脹量不一樣。為使水冷壁管墻膨脹更加順暢，可以將水冷壁內(nèi)綁帶兩端焊縫切除，對端部梳形板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，更改為卡板結(jié)構(gòu)，采用滑動連接，如圖13所示。

圖13 將內(nèi)綁帶兩端與水冷壁的焊接死點去除，采用滑動連接

4 效果驗證

4.1 水冷壁膨脹情況

在前墻水冷壁10 層和8 層半左右側(cè)安裝膨脹指示器，機組負荷900 MW 時檢查膨脹情況：左側(cè)水冷壁向左側(cè)膨脹約67 mm，右側(cè)水冷壁向右側(cè)膨脹約69 mm，左右側(cè)膨脹量大致一樣，見圖14、圖15。

圖15 水冷壁右側(cè)指示器

4.2 水冷壁與內(nèi)綁帶膨脹差異

在水冷壁左右側(cè)分別設(shè)置了2 個簡易指示器，一個與水冷壁連接，一個與內(nèi)綁帶連接，在現(xiàn)場安裝攝像頭觀察指示器變化情況。鍋爐在冷態(tài)時2 個指示器均指著零點，隨著鍋爐點火啟動，水冷壁溫度上升，水冷壁與內(nèi)綁帶開始向左右側(cè)膨脹。但此時水冷壁膨脹速度大于內(nèi)綁帶膨脹速度，隨著鍋爐運行趨于穩(wěn)定，最終水冷壁和內(nèi)綁帶的溫度相近，2 個指示器又指向同一位置，見圖16～圖18。

圖16 鍋爐冷態(tài)階段（2 個指示器指向零點）

圖17 鍋爐啟動階段（2 個指示器開始指向不一致）

圖18 鍋爐穩(wěn)定階段（2 個指示器基本指向相同）

說明鍋爐在啟動階段，內(nèi)綁帶位于水冷壁外側(cè)，溫度和水冷壁有差異，因此膨脹量不同。如果內(nèi)綁帶與水冷壁的左右側(cè)焊接固定，在整個鍋爐啟動膨脹過程中，內(nèi)綁帶限制了水冷壁的左右膨脹，導(dǎo)致水冷壁管屏存在熱膨脹應(yīng)力。此次檢修將內(nèi)綁帶與水冷壁左右焊接死點去除，有利于水冷壁在啟動過程中的自由膨脹。

2022年對2 臺鍋爐檢修時，對原鰭片開裂位置進行拆保溫檢查，均未發(fā)現(xiàn)鰭片再次開裂情況，說明針對水冷壁鰭片開裂的整治方案達到了預(yù)想的效果，如圖19所示。

5 對應(yīng)措施

針對寬爐膛設(shè)計的水冷壁，鍋爐設(shè)置膨脹中心，通過水平和垂直方向的導(dǎo)向與約束，實現(xiàn)以鍋爐某一高度為中心的三維膨脹，并防止?fàn)t頂、爐墻開裂和受熱面變形。每面墻的每層剛性梁水平上均設(shè)有膨脹中心，剛性梁兩端與鍋爐水冷壁間設(shè)計成可相互安全滑動，使鍋爐膨脹不會在水冷壁鰭片上產(chǎn)生額外熱應(yīng)力，如圖20所示[5]。

圖20 鍋爐剛性梁布置圖

然而在鍋爐實際安裝過程中，安裝工藝常常達不到設(shè)計要求，而且還會產(chǎn)生新的安裝缺陷，導(dǎo)致水冷壁在熱膨脹過程中受阻，從而發(fā)生鰭片開裂。因此在檢修期間應(yīng)進行針對性檢查：

1）檢查剛性梁及附件安裝質(zhì)量，對前墻上爐膛水冷壁剛性梁卡澀變形的部位進行疏導(dǎo)，有效防止張力板耳板膨脹受阻，減少因剛性梁附件卡澀導(dǎo)致水冷壁膨脹不均勻而開裂的情況。

2）檢查調(diào)整外護板固定板與剛性梁定位塊預(yù)留間隙，凡是發(fā)現(xiàn)保溫外護板固定板與剛性梁定位塊預(yù)留間隙不足的，進行逐一調(diào)整。

3）檢查剛性梁角部鉸鏈裝置，觀察角部裝置的膨脹是否與設(shè)計一致，對于膨脹偏差較大位置需要拆開保溫，檢查內(nèi)部支座是否變形，卡板間隙是否滿足要求，水平梁是否未保證水平。

4）排查調(diào)整導(dǎo)向裝置膨脹間隙是否預(yù)留不足；排查鍋爐垂直段前墻與左、右側(cè)墻膨脹死點是否焊接；排查鍋爐垂直段左、右側(cè)墻和前墻的內(nèi)綁帶定位銷是否安裝；定期對鍋爐本體導(dǎo)向裝置添加潤滑脂，保證滑動部位無銹蝕。

6 結(jié)束語

超超臨界π 型鍋爐都是寬爐膛設(shè)計，水冷壁必然會存在熱膨脹應(yīng)力。為了控制水冷壁鰭片應(yīng)力不超過其抗拉強度，需要從水冷壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝期間的質(zhì)量把控、運行期間的膨脹監(jiān)控等多方面進行優(yōu)化，從而避免水冷壁鰭片開裂的情況發(fā)生，確保鍋爐安全穩(wěn)定運行。