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300MW锅炉水冷壁横向裂纹的原因分析
发布时间：2013-09-11 09:16 来源：未知
0、前 言
某电厂1号炉为HG - 1021/18.2 - WM型锅炉，是哈尔滨锅炉厂有限责任公司采用美国燃烧工程公司（现为ABB - CE）技术制造的亚临界压力、一次中间再热的自然循环汽包锅炉，该锅炉于1996年
1、投入运行。
该炉采用单水冷炉膛、尾部双烟道，Ⅱ型半露天布置，全钢架悬吊结构。锅炉炉膛四角布置直流式燃烧器，采用切圆燃烧方式，燃用混煤，固态排渣。设计时充分考虑了纯烧晋东南无烟煤的可能性，采用了双通道自稳式燃烧器。每角燃烧器从上至下布置6层一次风口，上3层一次风口可上下摆动±（15°一20°），下3层固定不动。锅炉炉膛断面尺寸为12808mm x12 802 mm，为防止水冷壁系统发生传热恶化，在冷灰斗拐点以上的炉膛高热负荷区域采用直径为∮63、厚8mm、材料为SA - 178C的内螺纹管。
在1999年5月锅炉大修后进行水压试验时，发现炉膛水冷壁螺纹管泄漏，存在许多横向裂纹。我们与电厂有关人员合作，对水冷壁横向裂纹产生原因进行调查试验，研究分析了横向裂纹产生的原因并提出了防止措施和建议。
1、产生横向裂纹的情况
该锅炉从1996年1月投运至1999年5月大修，累计运行约15000 h．机组起停68次，不投油低负荷运行可达160 MW．机组经常参与调峰，燃料较杂。锅炉大修后水压试验时，发现炉膛右侧水冷壁从前向后数第67根内螺纹管在标高24m处泄漏。现场检查发现，泄漏处为一横向裂纹，且在泄漏处附近存在着多条缝隙状横向裂纹。电厂组织人员利用磁粉探伤等手段对水冷壁进行了大范围的检查，查明右侧水玲壁从63根至72根共10根管，在标高22-28 m存在大量的横向裂纹，裂纹的长度、深度不等，有些裂纹肉眼可见，有些细小的裂纹则在显微镜下可见。检查割下的裂纹管，在管子向火侧的内表面环向约800的范围内存在水垢，内壁有坑状腐蚀，并且在螺纹根部有裂纹，有些管子的螺纹部分甚至已经腐蚀掉，富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗粒机、木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料。
2、裂纹原因分析
水冷壁产生横向裂纹的原因很复杂，国内大容量机组中，平圩电厂600 MW控制循环锅炉和姚孟电厂300 MW直流锅炉出现过类似情况。原因是负荷变化造成水冷壁壁温波动而产生交变热应力引起的，该炉是自然循环锅炉，水循环系统和特性与前二者不同。因此，需针对锅炉的特性、运行状况和管子裂纹的实际情况具体分析，查明造成横向裂纹的原因。
2.1水冷壁管失效特征
锅炉受热面管子的失效是材料、环境、温度、应力等因素综合作用的结果，呈现出各种不同的损坏形式，其机理也各不相同。因此，准确地判定水冷壁管的失效形式，才能为查明原因提供更为可靠的依据。从该炉水冷壁裂纹管的外观形状看，裂纹泄漏处破口不大，管段无明显胀粗，管壁减薄量不大。在炉内的水冷壁外观检查中发现，在燃烧器区域的四周水冷壁管子外壁有一层约1mm厚的氧化皮，说明可能在锅炉运行期间，曾发生过因燃烧切圆过大或偏斜而造成的火焰贴壁。但在右侧水冷壁裂纹泄漏处却没有氧化皮。通过金相检查发现，裂纹管的向火侧外壁和内壁组织均有碳化物在铁素体晶界聚集以及石墨的析出，发生球化现象。因此，可断定水冷壁管的失效不是由于短期超温造成的。
由肉眼观察，裂纹管的向火侧内壁有大量垂直于管子轴线的环向裂纹，环向裂纹均呈缝隙状，管子内壁也有许多细小裂纹。一般来说，这种裂纹是由于管子受到交变热应力而引起的热疲劳裂纹。
2.2结垢
检查裂纹管内壁，结垢情况严重。对照CE公司的规定，结垢量大于15mg/cm2为中等结垢，结垢量大干40mg/cm2为严重结垢，（此数据系指管子向火面试样，其结垢量包括软性水垢和硬性水垢，水垢质量／结垢面积）。根据电厂初步分析，水垢中古铁偏高，氧化铜成分也偏高，磷酸盐偏低。从试样情况来看，垢下腐蚀相当严重，除了有坑蚀外，局部地方内螺纹部分已经腐蚀掉，而背火侧管内壁较清洁。从该锅炉水冷壁其他部位割管检查情况来看，水玲壁管子也存在着不同程度的结垢情况。
众所周知，水垢的导热系数极差，只有金属导热系数的几十分之一，大大降低管壁的放热系数，导致管壁温度的急剧升高。水垢在特定的条件下，由于电化学的作用，能够引起微电池效应；当给水中含有过量铁、铜离子时、会产生垢下腐蚀。
美国CE公司对平圩电厂600MW锅炉水冷壁泄漏管试样的分析报告，也认为水冷壁管子横向裂纹与垢下腐蚀有关。如果酸洗不及时，水冷壁结垢和垢下腐蚀就会越来越严重。应该指出，水冷壁的结垢和热负荷成线性关系，热负荷越高的区段，管子内壁结垢的程度越严重。
2.3解析
从泄漏处水冷壁管子试验结果看，材料的化学元素含量符合规定，材料的屈服强度、延伸率等机械性能也符合要求，而且发生裂纹的管子都集中在一个回路上，在水冷壁的其他部位没有发生裂纹，说明管子材料本身不是直接导致产生裂纹的原因。
从锅炉水动力情况来看，该锅炉是自然循环锅炉，设计时已对每一个循环回路进行了精确的水动力计算，锅炉整个循环倍率为4.3，在管子出现裂纹的回路，计算循环倍率约为3，水循环是安全的。同时，自然循环锅炉永循环具有补偿性，在水循环特性较差的后水冷壁及延伸包墙均未发生水循环破坏情况，这说明水循环是可靠的。目前，国内还没有电站锅炉水循环发生故障的报道。
这次大量横向裂纹分布在燃烧器区域刚性梁附近，炉外侧是大风箱。因此，电厂怀疑锅炉结构是否有问题。通过检查，水冷壁向下膨胀是自由的，不受阻；刚性梁结构也未异常；炉外大风箱等情况也良好，此结构是美国CE公司成熟的技术。我公司已完全消化吸收并掌握，不可能存在结构问题。
3、结论
由于锅炉给水不符合要求，引起结垢，在炉右侧泄漏处是热负荷及热流密度最大的部位，根据CE公司的经验，内螺纹根部的热流密度为向火侧平均热流密度的I．25倍。根部的高热流密度导致较厚的水垢，水垢不仅导致传热的恶化，引起管壁超温，而且引起垢下腐蚀；同时由于火焰的贴壁及燃烧的不稳定性，负荷及运行工况的变化（据了解该炉启动及停炉频繁，经常参加调峰）引起管子壁温的波动和不同程度升高，产生了交变热应力，在交变热应力的作用下，由于内螺纹管刚度较大，易在螺纹根部产生疲劳破坏，随着疲劳扩展，产生了横向裂纹，随着裂纹的加深扩大，逐渐发生了泄漏。
4、建议
4.1换管
在燃烧器区域进行认真检查，查出有裂纹的管子，予以更换；在热负荷集中及结垢严重的地方，可将国产15CrMa光管换成内螺纹管。
4.2酸洗
对结垢清况进行分析（对照CE公司标准），确定是否酸洗。
4.3加强运行管理
加大水质监控力度，确保合格的给水与炉水品质；加强燃烧调整，防止火焰贴壁；避免长时间低负荷运行，对停炉期间的保养也应加强管理。
