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300MW自然循环锅炉水冷壁横向裂纹的原因分析
发布时间：2013-09-28 19:10 来源：未知
某电厂l号炉为HG-1021/18.2-WM型锅炉，系哈尔滨锅炉厂有限责任公司采用美国CE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，于1996年投入商业运行。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，燃用混合煤，固态排渣。设计时充分考虑了纯烧晋东无烟煤的可能性，采用了双通道自稳式燃烧器。每角燃烧器从上至下布置5层一次风口，上3层可摆动±150～20°，下3层固定不动。锅炉炉膛断面尺寸为12 808 mm×12 802 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了直径为∮63×8 mm、材料为SA-178C的内螺纹管。
在1999年5月大修后水压试验时，发现炉膛水冷壁螺纹管有泄漏并存在许多横向裂纹。为此，进行了调查试验，初步分析了原因并提出防止产生横向裂纹的建议和措施。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，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
1、水冷壁管产生横向裂纹的情况
该炉自投运至大修累计运行约15 000 h，机组起停68次，不投油低负荷运行可达160MW，机组经常调峰，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24 m左右泄漏。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。利用磁粉探伤等手段对水冷壁进行了大范围的检查，查明右侧水冷壁从63根至72根共10根管，在标高22～28 m处的范围内存在大量的横向裂纹，裂纹的长度、深度不等。从割下的裂纹管看，在管子向火侧的内表面环向约80。的范围内有水垢存在，内壁有坑状腐蚀，并且螺纹根部有裂纹，有些管子的螺纹部分甚至已经腐蚀掉。
2、横向裂纹的原因分析
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的情况，原因是负荷变化造成水冷壁管壁温波动而产生交变热应力引起的。但该电厂l号炉是自然循环锅炉，其水循环系统和特性与前两者不同。因此，需针对锅炉的特性、运行状况和管子裂纹的实际情况进行具体分析。
2.1水冷壁管失效的形式
从该电厂l号炉水冷壁裂纹管的宏观形貌看，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，说明在锅炉运行期间可能曾有过因燃烧切圆过大或偏斜而造成火焰贴壁，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析出，发生球化现象。因此，可断定裂纹管的失效不是由短期超温造成的。
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，呈缝隙状，且管子内部也有许多细小裂纹。一般来说，这种裂纹是由管子受到交变热应力而引起的疲劳裂纹。
2.2管壁结垢
水冷壁结垢相当严重。对照CE公司对水质的规定，结垢量大于15mg/cm2为中等结垢，当结垢量大于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，永垢中含铁偏高，氧化钠成分也偏高，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，水冷壁管子也存在着不同程度的结垢情况。
水垢的导热系数极差，只有金属的几十分之一，能严重降低管壁到工质侧的放热系数，导致管壁温度急剧升高。水垢在特定条件下，由于电化学的作用，还能够引起垢下腐蚀。有关资料表明，当锅炉给水中含铁较多时，在高热负荷区的管子内壁形成氧化铁垢，同时，当水垢中含有氧化铜时，就能够引起垢下腐蚀。
CE公司对平圩电厂600 MW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，管子内壁结垢程度越严重。这也可能是导致水冷壁管子超温爆管事故均发生在燃烧器和其上方等高热负荷区域的原因之一。
2.3结构特点
从泄漏处水冷壁管子金相试验结果来看，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，这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，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，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，自然循环锅炉水循环具有补偿性，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，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，断口出现在刚性梁附近，炉外侧是大风箱等。因此，首先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；刚性梁结构也未见异常；炉外大风箱等情况也良好，此结构是美国CE公司的传统结构，技术非常成熟，已完全消化吸收并掌握，不存在结构问题。
3、结论
由于某种原因，锅炉给水不符合要求，引起结垢，在炉右侧泄漏处（即断口）是热负荷及热流密度最大的地方。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1.25倍。根部的高热流密度导致较厚的水垢，水垢不仅导致传热恶化，引起管壁超温，而且引起垢下腐蚀：同时由于烟气的贴壁及燃烧不稳定、负荷及运行工况变化（该炉启动及停炉频繁，经常参加调峰）引起管子壁温的波动，产生交变热应力，在其作用下，管子产生了疲劳破坏，随着疲劳的加深，出现横向裂纹，随着裂纹的加深扩大，逐渐产生了泄漏。
平圩电厂600MW锅炉由于水质监控不严，加上运行中火焰贴壁等产生垢下腐蚀以及热疲劳的交变作用，曾一度在燃烧器区域上方的水冷壁出现过不少横向裂纹而导致泄漏。
4、防治建议
(1)换管。在燃烧器区域进行大规模的检查，查出有裂纹的管子，根据裂纹的情况换管。在高热负荷及结垢严重的地方，可将国产15CrMoG光管送到异型钢管厂拔成内螺纹管、换管。
(2)酸洗。对照CE公司标准，对结垢情况进行分析，确定是否酸洗。
(3)加强运行管理。对水处理设备运行管理要加强，加大对水质监控力度，确保合格的给水与炉水品质：对燃烧的调节也要注意，防止烟气贴壁，避免严重结垢的产生；对锅炉停启频率及负荷变化率、锅炉升温升压速度以及锅炉停炉冷却速度等均应严格控制，避免长时间低负荷运行，对停炉的保养也应加强管理。
(4)加强对壁温的控制。在燃烧器区域，有必要加装水冷壁壁温测点，加强对水冷壁管子壁温的监控，避免水冷壁管子壁温出现大幅度的波动。
不同管径和膜片宽度下的计算结果，以便分析膜片结构对磨损的影响；也可调用优化程序，得出最佳结构尺寸。计算结果见表。
由于膜片厚度对传热及烟速的影响相对较少，且错列布置比顺列布置换热效果要好，故以上计算数据针对错列且膜片厚度为3 mm的情况。从表中数据可知：
(1)膜片管管径越大时，烟速越小，有利于减轻磨损，降低烟道阻力，减少厂用电耗；同时，金属耗量也降低，减少了材料成本。但烟速过低，会增加积灰的可能性，故管径并非越大越好。
(2)增加膜片宽度，对磨损影响不大，但可降低烟侧流阻及金属耗量。
(3)经优化设计的膜片管省煤器与原光管省煤器相比，最大磨损量、流阻及金属耗量分别减少为原来光管的33.5%、41.5%及68.2%，说明用膜片管省煤器取代光管省煤器具有明显的优势。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂鲜强突遣淮淼难≡�。
