热力承压部件膨胀不畅引发的失效分析及防范

许好好 鲍 听

（浙江浙能技术研究院有限公司 杭州 310003）

热力承压部件膨胀不畅引发的失效分析及防范

许好好 鲍 听

（浙江浙能技术研究院有限公司 杭州 310003）

本文笔者根据积累的经验，并结合具体案例，分析了三类承压部件（锅炉水冷壁、汽水管道、联箱角焊缝）因膨胀不畅引发的失效特征和原因，并提出了相应的防范和整改措施。对火力发电厂承压部件防止膨胀拉裂引起的失效有一定的参考和借鉴意义。

热力承压部件 膨胀 失效分析和防范

火力发电厂热力系统承压部件，经常处于启停、变负荷工况下服役，在热循环的作用下，就会发生热胀冷缩的现象。在热胀冷缩的变化过程都会产生热应力，如果所产生的应力超过部件所能承受的载荷，就会发生塑性变形，乃至疲劳破坏。为了确保各受热部件有规律地进行膨胀，使热应力控制在可接受的范围，必须对锅炉和汽水管道进行合理的膨胀和约束的设计，如对锅炉需要人为地设定膨胀中心并通过合理设置膨胀导向装置予以实现[1]，对汽水管道要采取合理设置吊架、弯管、限位等措施来应对膨胀问题。 但对于庞大的热力系统，膨胀不畅的隐患会来自于设计、制造、安装（或改造）及运行各个环节。从笔者长期积累的实践经验来看，炉墙水冷壁、炉外承压管道、集箱管座角焊缝容易因膨胀不畅引发拉裂泄漏现象，需引起高度重视。下面针对这三类部件，结合具体案例进行分析和探讨，并提出相应的防范措施。

1 炉墙水冷壁管膨胀拉裂

水冷壁管通过与鳍片的连接形成膜式水冷壁，并通过附焊件与刚性梁连接，水冷壁上还布置有燃烧器、风箱、吹灰器等装置，水冷壁管容易因膨胀不畅而被拉裂泄漏暴露较突出的部位归纳起来有两类：

1）与梳形板焊接部位；

2）结构特殊部位。

1.1 与梳形板焊接部位

上海、哈尔滨等锅炉厂采用美国燃烧工程公司（CE）引进技术生产的某些类型锅炉，水冷壁炉膛刚性梁通过绑带槽钢和焊在膜式壁上的梳形板焊接在一起，在锅炉热态运行状况下，由于热传导及散热等原因，水冷壁与槽钢之间存在一定的温差，尤其在锅炉启停阶段及大幅变负荷工况下温差会更大，加上结构性应力集中因素，容易导致连接焊缝被拉裂并贯穿水冷壁母材，引起泄漏。拉裂最常发生在梳形板焊缝布置不合理或者是转角部位。图1为某300MW机组亚临界锅炉6.3m炉前墙一根水冷壁管与梳形板焊连处被拉裂泄漏，原因系安装过程将过多的梳形板（4块）连接在一起，加剧了膨胀不畅的工况。图2为某300MW机组亚临界锅炉6.3m前墙与右侧墙交叉部位梳形板及焊缝被拉裂，所幸裂纹沿管子边缘扩展，未引起管子拉裂。

防范措施：利用检修机会对梳形板的连接方式和焊缝质量进行检查，发现未按图纸施工及连接不合理的（如两块梳形板对接在水冷壁管子上、梳形板连接过长等），应安排整改。对焊缝打磨后进行宏观和表面探伤抽查，及时消除焊接缺陷。

图1 某300MW机组锅炉水冷壁受附焊件拉裂

图2 某300MW机组锅炉水冷壁前墙与侧墙交界梳形板拉裂

1.2 结构特殊部位

指前后墙与左右墙交叉及转角部位、燃烧器及风箱区域、吹灰孔附近等由于膨胀方向不一致或温差较大引起的膨胀不畅易造成水冷壁管拉裂。图3为某300MW机组锅炉水冷壁前墙与右侧墙交界部位泄漏，其水平位置靠近冷灰斗斜坡底部弯管处，泄漏原因系前墙与侧墙膨胀方向不一致引起拉裂。图4为某600MW机组锅炉23m层后墙水冷壁一吹灰器附近的鳍片与管子因温差引起膨胀不畅，在焊接缺陷部位产生拉裂泄漏。

图3 某300MW机组锅炉水冷壁前墙与右侧墙交界处拉裂泄露

图4 某600MW机组锅炉水冷壁吹灰空附近拉裂泄露

防范措施：

1）利用检修时机加强对结构特殊部位的检查，发现连接不合理、连接焊缝存在缺陷的应及时进行整改：如发现吹灰孔边缘的水冷壁管焊连在一起的应割开；左右墙与前后墙交叉部位的连接未按照图纸要求施工的应安排整改。

2）特殊结构部位容易在故障跳机后再次启动过程发生拉裂泄漏，这是因为在这样的工况下，容易忽视温降和温升速率的控制，要引起高度重视并加以防范。

3）燃烧器改造过程要充分考虑膨胀问题，合理布置与水冷壁连接焊缝，并加强焊缝质量的检验。

2 承压管道膨胀拉裂

承压管道膨胀不畅引起拉裂泄漏问题通常发生在一些集箱或主管道引出的支管上，这是因为这些支管缺少严格的设计过程，许多支管由安装单位负责布置和施工，安装过程对膨胀不畅问题未予充分考虑和重视，主要表现在：

1）管子约束过死；

2）管路阀门支撑不当；

3）管路无膨胀补偿措施。图5为某600MW机组汽机高压导汽疏水集块引出支管角焊缝裂纹，主要原因是该管路被抱箍抱死（距离集块仅3m左右），限制了管路的膨胀，且由于90°转向采用套接块的形式，使得管路缺少柔性补偿，再加上结构性的应力集中，导致焊缝服役不到1万h即发生开裂失效。图6为某300MW机组主蒸汽启动放汽管路焊缝开裂失效，主要原因是管路的一、二次隔离阀采用托架的形式进行支撑，由于阀门很重，限制了管路跟随主蒸汽管道的膨胀而进行移位，导致加强管座上方对接焊缝服役不到1万h即发生开裂失效。图7和图8为某1000MW机组锅炉空预器吹灰总管焊缝及加强管座开裂，其主要原因是从锅炉左、右两侧引出的吹灰管在炉膛中间部位通过三通后汇集成一路管路，由于管路未设置膨胀补偿措施（如柔性弯），导致焊缝及加强管座变截面部位过早发生开裂失效。

防范措施：

1）对蒸汽管道和管子安装或改造，应注意管道热膨胀量的补偿和吸收问题，要重点考虑管路的布置（有柔性弯）、阀门的支吊（采取弹簧吊架）和限位约束装置（防止抱死）的设置。安装好的管路应进行冷态和热态的验收，确保膨胀引起的附加应力能够得到释放和吸收。

2）对新建机组，在服役状态下对高温蒸汽引出的小管道的膨胀情况进行全面检查，以便及时发现存在的隐患，并及早进行整改。

图5 某600MW机组汽机高导疏水集块引出管角焊缝裂纹

图6 某300MW机组主蒸汽启动放汽管路焊缝开裂失效

图7 某1000MW机组锅炉吹灰总管炉左侧焊缝膨胀拉裂

图8 某1000MW机组锅炉吹灰总管炉右侧大小头截面处膨胀拉裂

3 集箱管座角焊缝拉裂

导致集箱管座角焊缝发生早期失效的因素是多方面的，有焊接缺陷、结构性应力集中、热疲劳、膨胀不畅等，其中膨胀问题引发的早期失效也时有发生，对失效原因需要认真进行分析，通过采取整改措施来切实加以防范。

图9为某600MW超临界机组锅炉（型号：B&WB-1903/25.40-M）后墙水冷壁出口集箱进口短管角焊缝拉裂的宏观照片，通过全面检验，发现该集箱两侧共有99只焊缝存在裂纹缺陷，裂纹均沿焊缝熔合线扩展，且均产生于内侧，呈典型的膨胀拉裂特征。 产生缺陷的原因有两方面：一是集箱与后墙水冷壁存在较大的温差，因集箱布置在炉膛外面不受热，而与之连接的后墙膜式水冷壁受到烟气的辐射热，因此运行时膜式壁的膨胀量要比集箱大。二是缺少柔性补偿，因膜式水冷壁到集箱的光管仅300mm左右，无法充分吸收胀差引起的附加应力，从图10可以看出，部分连接短管因膨胀不畅已产生明显的变形。对集箱须采取增加柔性或减轻膨胀差异的整改措施，可以采用两种整改方案：

1）将集箱向下移动，通过增加光管长度来增强柔性；

2）将集箱沿中间位置割开，整改成两个独立的集箱，使得两侧的集箱能够较自由地跟随炉墙往外膨胀。

图9 某600MW机组锅炉后墙水冷壁集箱角焊缝裂纹

图10 某600MW机组锅炉水冷壁集箱连接短管变形

图11是一台燃气机组余热锅炉（型号：NGV94.3A-R）的高过2中间联箱焊缝开裂后泄漏的宏观照片，通过扩大检查，发现有12只焊缝存在裂纹缺陷。对于余热锅炉的受热面模块，均非采用U形或蛇形管组形式，通常都缺少柔性，出现膨胀不畅情况时，容易发生拉裂现象。导致焊缝早期开裂失效的原因主要有：

1）集箱左右两侧管子膨胀差异：燃机启动频繁，在启动阶段负荷约220MW左右减温水投用量较大，会造成减温器后的蒸汽出现带水现象，且蒸汽从集箱单侧进入，这就会导致集箱左右两侧管子膨胀存在差异。

2）管子与上、下集箱的连接缺少柔性弯设计，无法吸收膨胀不均引起的附加应力。对集箱须采取增加柔性的整改措施，在靠近下集箱区域，将部分管段改成蛇形弯形式。该集箱整改后运行3年来未再次出现拉裂泄漏现象。

图11 某余热锅炉高过2中间联箱焊缝开裂后泄露

4 结束语

对于电站锅炉及承压管道，其服役工况决定了膨胀问题的重要性，防止膨胀不畅引起承压部件爆泄是金属监督工作重要内容之一，也是困难所在。以上三类部件容易发生膨胀拉裂现象，要重点加以分析、检查和防范。对在建机组，通过调研和梳理同类型机组暴露过的问题，采取行之有效的整改方案，使膨胀不畅的隐患争取在投产前予以解决；对在役机组，首先要落实好运行方面的措施，特别是要控制好温升、温降速率，减轻热膨胀不畅引起的损伤，同时要对上述易发生膨胀拉裂的部件进行归纳分析，利用检修时机进行检查和分析，一旦发现问题及时进行处理和整改。

1 高琴.高参数、大容量发电机组锅炉膨胀中心研究，锅炉技术，2010，41（5）：14～16.

Analysis and Precaution of Thermal Presure Parts’Failure Due to the Expansion Problem

Xu Haohao Bao Ting
（Zhejiang Energy Technology Research Institute Co., Ltd. Hangzhou 310003）

By introducing the failure characters of thermal pressure parts(water wall tubes,steam pipe, headers) in thermal power stations caused by the expansion problem, this paper offers the diagnosing and failure preventing methods based on experience and examples,which could be helpful in dealing with similar problem.

Thermal presure parts Expansion Failure analyzing and preventing

X933.4

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－4 7－04 D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.013

许好好(1969～)，男，高级工程师，从事火力发电厂金属技术监督工作。

2014-06-03）