案例分析锅炉水冷壁爆管的故障原因
赵予生
摘 要：本文以徐州华润电力有限公司两台1000WM塔式锅炉水冷壁为例，简要阐述上海锅炉厂塔式炉水冷壁结构特点以及徐州华润电厂两台塔式炉投运以来水冷壁出现的问题和处理方法，尤其对T23材质水冷壁存在的焊口及鳍片裂纹问题进行了分析和阐述。
关键词：塔式炉；水冷壁；T23
中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0120-02
1 概述
徐州华润电力有限公司三期2*1000MW超超临界直流锅炉为上海锅炉厂引进德国ALSTOM公司技术生成的塔式锅炉，两台锅炉投产时间分别为2010年6月和2010年7月。水冷壁采用螺旋+垂直管圈布置，具有热负荷均匀、水动力稳定、水冷壁出口温度偏差小等优点，但机组投运以来，多次发生水冷壁泄漏事故，给机组稳定运行带来极大隐患，同时每次检修都发现大量T23材质水冷壁裂纹缺陷，给机组检修带来很大难度。塔式炉燃烧器水冷套弯管吹损及冷灰斗区域磨损，也是该炉型水冷壁每次检修的重点区域。
2 塔式炉水冷壁结构布置介绍
徐州华润电力有限公司三期两台塔式炉为螺旋管圈直流炉，单炉膛塔式布置，四角切圆燃烧。炉膛宽度21480mm，炉膛深度21480mm，炉膛由膜式管子组成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。从炉膛冷灰斗进口标高4450mm到标高61013mm处采用螺旋管圈，61013mm向上为垂直管圈，螺旋管圈与垂直管圈通过十二通进行连接。垂直管圈分为两部分，下部垂直管圈管子规格为38.1mm，节距600mm，上部管子规格为44.5mm，节距120mm，上、下部垂直管通过Y型三通合并。冷灰斗下部螺旋管圈材料为15CrMoG，冷灰斗上部螺旋管圈材料为T23，垂直管圈材料均为T23。
3 塔式炉水冷壁运行期间泄漏情况介绍
徐州华润电力有限公司三期两台塔式炉自投产以来水冷壁共泄漏28次，综合分析泄漏原因，9次为焊缝缺陷，4次为磨损减薄，其余15次均为鳍片裂纹造成；T23管材与15CrMo管材泄漏次数分别是20次和8次。
泄漏主要原因分析如下：
（1）T23水冷壁鳍片材质为SA387-Cr12CL，在与T23管材焊接时，焊后容易出现裂纹，裂纹因应力交变延伸至水冷壁母材，因强度降低导致泄漏。（2）T23管具有再热裂纹倾向，特别是在热影响区容易出现裂纹，导致泄漏。（3）炉外钢梁与水冷壁采用塞块连接，塞块直接与水冷壁管焊接，水冷壁炉膛内外壁温存在差异，焊缝区域硬度较大，应力交变导致泄漏。（4）冷灰斗及燃烧器管屏磨损泄漏。
4 塔式炉水冷壁历次检修发现的主要问题及应对策略
4.1 冷灰斗区域水冷壁管磨损减薄
采用螺旋水冷壁的直流锅炉，冷灰斗磨损发生在水冷壁管顺前后墙斜坡滑落部位，在接近角部时水冷壁管倾斜角度变大，由于掉落在冷灰斗区域的灰渣顺水冷壁管间沟槽滑落，在大斜角水冷壁管区域会产生较大的加速，从而造成严重的磨损。为了防止角部水冷壁快速磨损泄漏，在机组检修期间对前后墙四角水冷壁冷灰斗进行浇注料防磨改造，浇注料端部加装防磨瓦，并沿灰渣滑动方向设置梳型板减缓落渣流速，分散灰渣对局部造成集中冲击。
4.2 燃烧器水冷套弯管吹损
燃烧器水冷套弯管吹损是上海锅炉厂塔式炉普遍存在的问题，国华台山、国华徐州等各厂均存在水冷套弯管磨损问题，水冷套吹损原因主要和燃烧器结构设计、喷口局部间隙大漏风有关。为防止燃烧器水冷套吹损爆管，徐州华润电厂在燃烧器喷口与水冷套之间加装了不锈钢挡风板，并在历次机组检修中对挡风板进行维修更换。
4.3 T23水冷壁焊口及鳍片裂纹缺陷
4.3.1 T23水冷壁焊口裂纹
机组投产初期T23水冷壁焊口横向裂纹是导致水冷壁泄漏主要因素，也是历次检修检查的重点问题。其中2010年9月，#5锅炉上水检查发现6只焊口泄漏，右侧墙扩大X射线检验又发现19只焊口缺陷；2010年10月，再次扩大检测，又发现12只焊口裂纹。2010年8月#6锅炉右侧墙检查割口换管9根；2010年11月，水冷壁四面墙100%检测，又发现了31只焊口裂纹，其中3只为上次检测后新发现裂纹。
T23对接焊口的裂纹主要发生在向火侧，大多沿焊缝横向开裂，横贯焊缝止于两侧母材。经检测分析，焊缝裂纹多始于接头内部，向外延伸至外壁，焊缝高温短时强度试验满足标准要求，且强度高于母材。但存在向火侧焊缝和粗晶区的硬度偏高，且明显高于母材的硬度和向火面及背火面焊缝冲击功都很低的问题。对裂纹取样分析见表1。
按照DL/T 868-2004《焊接工艺评定规程》要求，冲击试验合格标准为冲击功的平均值不应低于相关技术文件规定的钢材的下限值，且不得小于27。现场焊缝韧性检测低于标准要求50%以上，这一方面可能是原始焊缝韧性不合格，也可能是由于运行后焊缝冲击韧性明显降低。冲击韧性降低将导致管材塑性降低，容易产生裂纹缺陷。
4.3.2 T23水冷壁鳍片裂纹
塔式炉T23水冷壁鳍片裂纹主要体现在Y型三通区域和燃烧器及过渡段水冷壁区域，因其隐藏深、检查难、数量大、发展快、诱因多等特点，已经成为目前影响锅炉安全穩定运行的最大隐患。见表2。
徐州电厂#6锅炉2017年4月发生一起炉前水冷壁Y型三通鳍片裂纹延伸至焊口融合线导致泄漏的事故，通过停机排查，又发现大量隐藏的焊口处鳍片隐性裂纹，给机组稳定运行带来巨大隐患。2017年5月份#5锅炉505C修期间对T23水冷壁鳍片裂纹进行了详细彻底排查，并分类统计：水冷壁鳍片裂纹合计878只，其中一般鳍片裂纹524，延伸至焊缝鳍片裂纹145只，延伸至管壁鳍片裂纹162只，射线检测并经验证鳍片裂纹47只。
4.3.3 裂纹原因分析endprint
（1）T23材料的焊接性较差。T23焊缝金属的裂纹敏感性较强，且存在再热裂纹倾向，特别是未进行焊后高温回火热处理的焊接接头金属冲击韧性值偏低，裂纹产生的门槛值低，裂纹扩展速度快。（2）Y型三通处结构形状突变导致三通焊缝局部应力集中较严重。Y型三通上下结构形状变化较大，焊缝两侧金属壁厚差异大，导致三通上下焊缝处结构应力集中较大。（3）Y型三通上下鳍片宽度突然变化导致局部金属热应力的增加。从汽水介质流向看Y型三通处于两根变一根的部位，管内冷却介质存在流速变化，三通上下的鳍片宽度变化较大，宽鳍片的冷却能力变差，再加上补装鳍片存在单面焊、虚焊、漏焊等情況，局部温度场变化进一步增加，从而加剧了局部金属的热应力。（4）Y型三通处补装镶嵌块的鳍片焊缝焊接质量差异大。安装时补装镶嵌块鳍片焊缝质量差异较大，一般均采用手工电弧焊单层单道焊接，存在焊接热输入量过大，焊接组织粗大导致容易产生裂纹的可能。（5）过渡区水冷壁热负荷高，设计质量流速低，鳍片冷却能力差。过渡区水冷壁通过十二通引入管将螺旋水冷壁内介质引至中间混合集箱混合后通过引出管送至上部垂直水冷壁，此方式混合效果有限，本身设计质量流速低，且又处于炉膛高热负荷区，容易造成部分鳍片冷却效果不好，导致鳍片开裂。见表3。
4.3.4 裂纹消除措施
（1）提高T23水冷壁焊接工艺，严格按照焊接工艺操作，与管子焊接的鳍片采用双面氩弧焊。（2）鳍片与管子焊缝上下各留有10mm不焊。（3）从减小应力集中角度出发，对与T23管材焊接的鳍片截断处均进行圆滑过渡，减小应力集中。（4）调整锅炉燃烧，控制火焰中心不偏斜，炉内温度场均匀，减少局部水冷壁超温对鳍片的影响。
5 结语
塔式锅炉水冷壁运行中存在冷灰斗磨损、燃烧器喷口管屏磨损等容易造成水冷壁泄漏的问题，在机组检修中应加强检查，及时处理，并做好预防措施。T23材质水冷壁管具有再热裂纹倾向且存在向火侧焊缝和粗晶区的硬度明显高于母材硬度和焊缝冲击功低的问题，T23水冷壁焊口及鳍片裂纹都是检修工作中应格外重视的问题，提高T23水冷壁焊接工艺和降低局部应力是降低T23水冷壁泄漏的重点方向。
参考文献
[1]杨亮.T23水冷壁管排鳍片焊缝裂纹的分析[J].锅炉技术，2009，（06）：55-58.
[2]王红波，白玉海.国产T23钢在台山电厂2*1000MW塔式锅炉水冷壁上的运用现状[J].广东电力，2010，（07）：56-59.endprint
