某電廠1 000 MW П型鍋爐水冷壁橫向裂紋泄漏分析及防治

摘要：由于新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，常規(guī)火電機(jī)組負(fù)荷大幅波動(dòng)，長時(shí)間深度調(diào)峰，啟、停調(diào)峰頻繁成為常態(tài)，加上大量摻燒高硫煤等，造成大容量、高參數(shù)鍋爐水冷壁因高溫腐蝕、橫向裂紋產(chǎn)生的缺陷逐漸增加。鑒于此，就某電廠1 000 MW鍋爐水冷壁橫向裂紋泄漏進(jìn)行深入分析和總結(jié)，可為同類型鍋爐檢修維護(hù)和運(yùn)行調(diào)整提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：水冷壁；高溫腐蝕；橫向裂紋

中圖分類號(hào)：TK229" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）22-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.001

0" " 引言

某廠兩臺(tái)鍋爐分別于2017年9月、11月投入商業(yè)運(yùn)行，截至2024年6月，已分別累計(jì)運(yùn)行4.8萬h、4.6萬h。鍋爐水冷壁管材為15CrMoG，自2022年9月以來，累計(jì)發(fā)生4次因水冷壁向火側(cè)橫向裂紋導(dǎo)致的鍋爐泄漏事件。同時(shí)調(diào)研同類型電廠發(fā)現(xiàn)，近年來省內(nèi)已有近二十臺(tái)機(jī)組多次發(fā)生水冷壁向火側(cè)橫向裂紋泄漏，涉及爐型基本為垂直管屏水冷壁的鍋爐，以引進(jìn)日本三菱技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界鍋爐最為普遍和嚴(yán)重；省外，近年來投產(chǎn)同型號(hào)鍋爐的一家電廠，因煤質(zhì)較差，運(yùn)行約2萬h，即首次發(fā)現(xiàn)水冷壁橫向裂紋，目前仍然普遍存在水冷壁橫向裂紋問題?，F(xiàn)針對(duì)該型鍋爐特點(diǎn)，結(jié)合某廠水冷壁泄漏情況，分析橫向裂紋產(chǎn)生原因和防治措施。

1" " 設(shè)備概述

1.1" " 鍋爐概述

該廠兩臺(tái)1 000 MW鍋爐為超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，帶循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)，采用П型布置、單爐膛、一次中間再熱、低NOx主燃燒器和高位燃盡風(fēng)分級(jí)燃燒技術(shù)、反向雙切圓燃燒方式。鍋爐最大蒸發(fā)量3 077 t/h，額定壓力28.25 MPa，爐膛水冷壁采用焊接膜式壁，內(nèi)螺紋管為垂直上升式，爐膛斷面尺寸為34 220 mm×15 670 mm。水冷壁管共有2 240根，左、右側(cè)墻各352根，前、后墻各768根。其中，下爐膛為?28.6 mm×5.8 mm（最小壁厚）四頭螺紋管，管材為15CrMoG，管子間加焊的扁鋼寬為15.9 mm，厚度6 mm，材質(zhì)15CrMo；上爐膛為?28.6 mm×5.8 mm（最小壁厚）四頭螺紋管和光管，管材為15CrMoG，管子間加焊的扁鋼寬為15.9 mm，厚度8 mm，材質(zhì)15CrMo。在上下爐膛之間裝設(shè)一圈中間混合集箱以消除下爐膛工質(zhì)吸熱與溫度的偏差。

1.2" " 水冷壁橫向裂紋泄漏概況

近年該廠因水冷壁橫向裂紋導(dǎo)致泄漏4次，具體如下：

1）2022年9月，2號(hào)爐首次發(fā)生因母材橫向裂紋導(dǎo)致的水冷壁泄漏，泄漏管為水冷壁后墻標(biāo)高48.5 m左數(shù)第48、49根管。

2）2023年4月，2號(hào)爐水冷壁前墻標(biāo)高46.5 m上層燃盡風(fēng)噴口上彎頭左數(shù)第518、519、520根管發(fā)生因母材橫向裂紋導(dǎo)致的泄漏。

3）2023年12月，2號(hào)爐水冷壁左側(cè)墻標(biāo)高49 m前數(shù)第338至344根管發(fā)生因水冷壁管對(duì)接焊縫融合線兩側(cè)橫向裂紋導(dǎo)致的泄漏。

4）2024年1月，1號(hào)爐水冷壁左側(cè)墻標(biāo)高48.5 m前數(shù)第120、121根管發(fā)生因母材橫向裂紋導(dǎo)致的泄漏。

2" " 原因分析

2.1" " 高溫腐蝕影響分析

該廠鍋爐采用低NOx主燃燒器和高位燃盡風(fēng)分級(jí)燃燒技術(shù)，八角反向雙切圓燃燒方式。通過爐膛內(nèi)速度矢量場(chǎng)（圖1）可以清晰地看到燃燒區(qū)域外切圓呈橢圓形，左側(cè)爐膛No.3、No.4燃燒器尾焰指向鍋爐#5角，No.5、No.6燃燒器尾焰指向鍋爐#3角，在橢圓的兩個(gè)頂點(diǎn)形成了高溫區(qū)；左右爐膛對(duì)稱布置，燃燒器布置型式造成了爐膛內(nèi)2、3、5、8為熱點(diǎn)區(qū)域（圖2），該情況也是鍋爐燃燒器設(shè)計(jì)型式?jīng)Q定的。另外，采用SOFA技術(shù)的大容量高參數(shù)鍋爐，無論燃用什么煤種，爐膛水冷壁幾乎都會(huì)發(fā)生高溫腐蝕問題，低NOx燃燒技術(shù)和高溫腐蝕始終共存。

低NOx燃燒技術(shù)+八角切圓垂直+垂直水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的區(qū)域主要為主燃燒器與燃盡風(fēng)中間區(qū)域的四面墻水冷壁向火側(cè)，腐蝕最嚴(yán)重之處位于前墻#2、#3角，后墻#5、#8角（圖2）。腐蝕的外管壁在吹灰蒸汽的吹損下明顯減薄，2018—2022年，水冷壁因吹灰器吹損造成管壁減薄的主要問題，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇祿p與高溫腐蝕疊加作用，管壁減薄加劇。鍋爐長期運(yùn)行，水冷壁管壁高溫腐蝕、吹損導(dǎo)致減薄的位置也由鍋爐B層吹灰器層鍋爐#2、#3、#5、#8角逐漸向鍋爐上、下兩端擴(kuò)展。

近年來，調(diào)頻調(diào)峰、機(jī)組啟停、管壁溫度偏差等原因造成的熱交變應(yīng)力影響逐漸顯現(xiàn)，水冷壁失效的主要問題也由吹損+高溫腐蝕加劇管壁減薄逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗g與熱交變應(yīng)力相互促進(jìn)，加劇水冷壁橫向裂紋產(chǎn)生。

2.2" " 水冷壁橫向裂紋機(jī)理特征

水冷壁向火側(cè)橫向裂紋一般同時(shí)存在多條，均呈環(huán)向分布，裂紋走向與管子軸向垂直（圖3），表明裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展動(dòng)力來源于水冷壁管存在的軸向彎曲應(yīng)力。裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋斷面呈扇形，可見疲勞弧線；斷面上有相互平行的清晰的疲勞條紋，呈圓弧形，有規(guī)則的間距，并垂直于裂紋的擴(kuò)展方向，是典型的金屬疲勞特征。高溫腐蝕不能直接形成橫向裂紋，但可以促進(jìn)、加速裂紋的擴(kuò)展。

因此，鍋爐水冷壁管向火側(cè)橫向裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)樗浔诠茉诟邷剡\(yùn)行環(huán)境下，由于軸向彎曲應(yīng)力作用發(fā)生熱應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致向火側(cè)管壁表面開裂。

2.3" " 橫向裂紋位置特點(diǎn)

該廠鍋爐水冷壁發(fā)生橫向裂紋的位置均集中在鍋爐標(biāo)高46 m至50 m處，上層燃盡風(fēng)噴口至水冷壁中間集箱下部區(qū)域。該區(qū)域有以下特點(diǎn)：

1）該區(qū)域是下爐膛熱負(fù)荷最高的區(qū)域。

2）該區(qū)域是水冷壁介質(zhì)汽-液兩相混合區(qū)域，是介質(zhì)變化對(duì)下爐膛水冷壁影響最敏感的區(qū)域。

3）該區(qū)域的燃燒器彎管、燃燒器正對(duì)直管、安裝焊縫及中間集箱引入/引出管彎頭處的直管，均為應(yīng)力集中位置。

4）該區(qū)域個(gè)別水冷壁管壁溫較周圍管偏差大。

5）該區(qū)域是爐膛還原性氣氛較高區(qū)域，易產(chǎn)生水冷壁高溫腐蝕。

2.4" " 水冷壁軸向彎曲應(yīng)力來源

1）水冷壁管壁溫變化，是水冷壁軸向彎曲應(yīng)力的主要來源[1]。水冷壁正常運(yùn)行期間，管壁溫度隨著負(fù)荷變化而反復(fù)升降，存在固有的軸向彎曲應(yīng)力。同時(shí)，近年來，在電網(wǎng)新調(diào)峰形勢(shì)下，該廠機(jī)組負(fù)荷大幅、頻繁變動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)“白天深度調(diào)峰、晚間頂峰保供”的情形，負(fù)荷波動(dòng)頻繁極易造成水冷壁管壁溫度大幅波動(dòng)（波動(dòng)區(qū)間350～490 ℃），造成水冷壁管軸向彎曲應(yīng)力進(jìn)一步增大。

2）水冷壁管壁溫偏差，是水冷壁軸向彎曲應(yīng)力的另一來源。該廠機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行期間，部分區(qū)域相鄰水冷壁管壁溫偏差超過30 ℃，在相鄰水冷壁管向火面產(chǎn)生較大的軸向彎曲應(yīng)力，該區(qū)域水冷壁管軸向彎曲應(yīng)力長期累積后形成熱應(yīng)力疲勞，優(yōu)先產(chǎn)生橫向裂紋。

2.5" " 水冷壁管壁溫頻繁、劇烈變化以及壁溫存在偏差原因

2.5.1" " 水冷壁管壁溫頻繁、劇烈變化原因

2.5.1.1" " 深度調(diào)峰前后負(fù)荷變化影響

該廠地處蘇北新能源中心，大容量風(fēng)電裝機(jī)及不確定的風(fēng)速容易造成該廠機(jī)組負(fù)荷大幅變化，深度調(diào)峰、機(jī)組啟停更加頻繁。2022年，兩臺(tái)機(jī)組完成30%負(fù)荷深度調(diào)峰改造，頻繁參與35%和30%負(fù)荷深度調(diào)峰，調(diào)峰的深度、次數(shù)、累計(jì)時(shí)長逐漸增加（圖4）。

該廠制定了《深度調(diào)峰安全運(yùn)行措施》，深調(diào)期間優(yōu)先選擇C、D、E三臺(tái)制粉系統(tǒng)運(yùn)行，經(jīng)試驗(yàn)，此為最佳磨組方式。該磨組方式下，水冷壁管壁溫波動(dòng)幅值較低，水冷壁前后墻壁溫偏差較小。但是，深度調(diào)峰前后的負(fù)荷變化過程中，水冷壁管壁溫易擾動(dòng)，變化幅度較為劇烈。當(dāng)深度調(diào)峰開始，降負(fù)荷停運(yùn)底層磨煤機(jī)時(shí)，鍋爐燃燒減弱，導(dǎo)致水冷壁管快速降溫；當(dāng)深度調(diào)峰結(jié)束，啟動(dòng)磨煤機(jī)升負(fù)荷時(shí)，鍋爐熱負(fù)荷上升，導(dǎo)致水冷壁管快速升溫，壁溫變化率超過5 ℃/min（圖5）。

2.5.1.2" " 日內(nèi)機(jī)組負(fù)荷大幅變化影響

近年來，該廠經(jīng)常出現(xiàn)“白天深度調(diào)峰、晚間頂峰保供”的情形，日內(nèi)機(jī)組負(fù)荷大幅、頻繁變化，負(fù)荷經(jīng)常性短時(shí)大幅度變化容易造成水冷壁管壁溫大幅波動(dòng)。

2.5.2" " 水冷壁管壁溫存在偏差原因

該廠2號(hào)爐水冷壁左側(cè)墻第331—347根管、右側(cè)墻第331—347根管、后墻第23—59根管、前墻第259—287根管存在較大的壁溫偏差，上述管子均位于鍋爐的熱角。負(fù)荷穩(wěn)定期間，機(jī)組全負(fù)荷段，上述壁溫高出相鄰水冷壁管20～30 ℃，機(jī)組負(fù)荷升降期間，壁溫高出相鄰水冷壁管50～80 ℃。

鍋爐水冷壁管存在壁溫偏差的主要原因分析如下：

1）進(jìn)入爐膛的一次風(fēng)粉偏差。通過啟停磨煤機(jī)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：磨煤機(jī)進(jìn)入爐膛各角的一次風(fēng)粉速度、濃度的偏差，造成爐內(nèi)切圓燃燒偏斜，甚至貼壁燃燒，引起管壁溫度偏差。

2）進(jìn)入爐膛的二次風(fēng)量偏差。該型鍋爐前后墻二次風(fēng)存在設(shè)計(jì)偏差，機(jī)組負(fù)荷升降階段，鍋爐二次風(fēng)量變化后，爐膛火焰可能發(fā)生偏斜，造成管壁溫度偏差。

3）燃燒器缺陷。鍋爐長期運(yùn)行后，同層燃燒器擺角不一致、燃燒器燒損嚴(yán)重，可能導(dǎo)致爐膛火焰發(fā)生偏斜，造成管壁溫度偏差。

4）水動(dòng)力不穩(wěn)。煙氣側(cè)的燃燒偏差造成水冷壁管間吸熱偏差，熱強(qiáng)度越大的管子流動(dòng)阻力相應(yīng)越大、流量越小，容易造成水冷壁管內(nèi)流量偏差的程度進(jìn)一步加大，引起水動(dòng)力不穩(wěn)，造成壁溫偏差擴(kuò)大。

3" " 應(yīng)對(duì)措施

3.1" " 運(yùn)行控制方面

1）合理降低負(fù)荷變化速率。研究“兩個(gè)細(xì)則”和深度調(diào)峰的考核要求，分負(fù)荷段精細(xì)控制負(fù)荷變化速率，降低水冷壁管壁溫的變化速率[2]。AGC方式下負(fù)荷變化速率，由原來的18 MW/min調(diào)整為10～12 MW/min；500 MW以下深度調(diào)峰時(shí)，確定“先快后慢、中間停留”的原則，以50 MW為負(fù)荷變化間隔，階梯控制負(fù)荷變化速率。

2）探索控制過熱度和主汽壓。合理權(quán)衡對(duì)低負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降、汽輪機(jī)排汽濕度增加的不利影響，探索低負(fù)荷段分離器“低過熱度”運(yùn)行方式，并根據(jù)情況拓展至全負(fù)荷段，適當(dāng)升高主汽壓，觀察水冷壁典型管段的壁溫幅值和壁溫偏差變化情況[3]，最終形成固化的運(yùn)行措施。

3）試驗(yàn)改善壁溫偏差。提高啟停機(jī)階段、500 MW負(fù)荷以下階段的總風(fēng)量，加強(qiáng)切圓剛性，避免“雙切圓”左右跑偏，減少壁溫偏差。二次風(fēng)擋板開度采用“倒寶塔型”配風(fēng)方式，提高燃燒區(qū)斷面熱負(fù)荷，強(qiáng)化燃燒均勻性，減少火焰偏斜。觀察不同磨煤機(jī)啟停對(duì)水冷壁管壁溫偏差的影響，制定差異化調(diào)整措施。

4）做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。加強(qiáng)水冷壁相鄰管存在壁溫偏差的統(tǒng)計(jì)分析，加強(qiáng)兩臺(tái)機(jī)組之間壁溫偏差的對(duì)比分析，建立水冷壁管壁溫偏差專項(xiàng)臺(tái)賬，統(tǒng)計(jì)鍋爐運(yùn)行過程中水冷壁相鄰管存在壁溫偏差的管道位置、壁溫偏差量、偏差出現(xiàn)次數(shù)、累計(jì)時(shí)長，做好跟蹤監(jiān)視運(yùn)行，并納入運(yùn)行小指標(biāo)競(jìng)賽項(xiàng)目。同時(shí)，在檢修開始前提供給檢修人員制定相關(guān)檢查、檢測(cè)項(xiàng)目。

5）持續(xù)做好加氧工作。延續(xù)現(xiàn)有加氧方式的良好實(shí)踐，加強(qiáng)加氧指標(biāo)控制，持續(xù)觀察加氧效果，利用檢修機(jī)會(huì)檢查氧化皮生成情況。策劃開展“1 000 MW機(jī)組熱力設(shè)備水系統(tǒng)全覆蓋腐蝕防治及智能給水處理”項(xiàng)目，進(jìn)一步提升加氧控制水平。

3.2" " 檢修策劃方面

1）細(xì)化檢查清單。通過調(diào)研同類型鍋爐水冷壁產(chǎn)生橫向裂紋的情況，結(jié)合該廠水冷壁運(yùn)行特點(diǎn)，編制水冷壁易產(chǎn)生橫向裂紋的重點(diǎn)區(qū)域清單。清單實(shí)施動(dòng)態(tài)管理，根據(jù)水冷壁運(yùn)行和檢修檢查情況，及時(shí)調(diào)整相關(guān)重點(diǎn)區(qū)域。

2）開展等級(jí)檢修。在執(zhí)行鍋爐“四管”防磨防爆全面檢查的基礎(chǔ)上，對(duì)橫向裂紋產(chǎn)生的水冷壁重點(diǎn)區(qū)域和水冷壁存在壁溫偏差的管道開展專項(xiàng)檢查。在常規(guī)目視宏觀檢查的基礎(chǔ)上，增加磁粉或滲透檢測(cè)的區(qū)域面積，提高裂紋檢出率。對(duì)異常管段進(jìn)行換管處理。同時(shí)，檢查水冷壁管壁溫偏差大的管道對(duì)應(yīng)的節(jié)流孔圈是否存在異物、結(jié)垢堵塞。等級(jí)檢修后，根據(jù)需要開展制粉系統(tǒng)調(diào)整試驗(yàn)。

3）開展調(diào)停檢修。機(jī)組調(diào)停7天及以上時(shí)，編制專項(xiàng)檢查方案，利用檢修吊籃對(duì)易產(chǎn)生橫向裂紋的水冷壁區(qū)域開展專項(xiàng)檢查，以磁粉或滲透檢測(cè)手段為主，檢驗(yàn)是否存在裂紋，并及時(shí)處理。

4）開展逐步換管。針對(duì)該廠鍋爐運(yùn)行近5萬h的特點(diǎn)，定期總結(jié)鍋爐水冷壁管壁溫偏差臺(tái)賬和檢查記錄，建立水冷壁管區(qū)域更換先后次序，制定三年滾動(dòng)換管計(jì)劃，做好換管及相關(guān)工作。

5）加強(qiáng)膨脹檢查。針對(duì)機(jī)組啟停、負(fù)荷變化率較大的運(yùn)行階段，開展鍋爐膨脹系統(tǒng)檢查，重點(diǎn)檢查水冷壁膨脹是否正常，剛性梁受熱膨脹時(shí)能否自由滑動(dòng)，焊縫高度及導(dǎo)向間隙是否符合圖紙要求，使鍋爐爐墻能夠有序膨脹，并做好臺(tái)賬記錄，持續(xù)跟蹤分析。利用等級(jí)檢修機(jī)會(huì)，檢查鍋爐剛性梁上的掛鉤是否正常。

3.3" " 技改方面

1）開展一次風(fēng)調(diào)平優(yōu)化。為降低水冷壁管壁溫偏差，使鍋爐更適應(yīng)深度調(diào)峰工況運(yùn)行，開展鍋爐一次風(fēng)粉在線自動(dòng)調(diào)平改造，使各負(fù)荷段以及變負(fù)荷工況下的一次風(fēng)粉偏差均小于5%。

2）開展燃燒調(diào)整優(yōu)化。為使鍋爐二次風(fēng)流場(chǎng)更加均勻，消除鍋爐前后墻二次風(fēng)偏差大的問題，進(jìn)行鍋爐二次風(fēng)流場(chǎng)檢測(cè)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及鍋爐動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化鍋爐燃燒調(diào)節(jié)性能，降低水冷壁管壁溫偏差和壁溫變化速率。

3）開展水動(dòng)力特性微調(diào)優(yōu)化[4]。煙氣側(cè)優(yōu)化調(diào)整后，觀察實(shí)際運(yùn)行情況，開展鍋爐水冷壁水動(dòng)力校核計(jì)算，通過微調(diào)，減少低負(fù)荷階段個(gè)別水冷壁管流量偏差，降低水冷壁管壁溫偏差。

4）開展深調(diào)優(yōu)化調(diào)整。深入研究深調(diào)方式下的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，進(jìn)一步提高運(yùn)行安全性。

4" " 結(jié)論

本文通過總結(jié)設(shè)備檢修、運(yùn)行、技術(shù)改造等方面的良好實(shí)踐措施，結(jié)合機(jī)組自身運(yùn)行、檢修特點(diǎn)，形成專項(xiàng)治理方案，并不斷優(yōu)化完善，鍋爐水冷壁橫向裂紋頻繁泄漏的問題得到了有效控制，提高了鍋爐設(shè)備可靠性。

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收稿日期：2024-07-15

作者簡介：陳浩（1984—），男，江蘇人，工程師，從事火電廠鍋爐運(yùn)行管理工作。