直流锅炉侧墙水冷壁出口集箱裂纹原因分析

刁云鹏，李文远，张 良，刘兆千，刘维岐

(1.国电电力发展股份有限公司大连开发区热电厂，辽宁 大连 116600；2.国电科学技术研究院，江苏 南京 210023)

0 引言

某电厂350MW机组锅炉型号HG-1125/25.4-HM2型锅炉，一次中间再热、单炉膛、墙式切圆煤粉燃烧器、尾部双烟道、烟气挡板调节再热汽温、平衡通风、半露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构π型超临界本生直流锅炉。锅炉顶棚的标高为64.8m，前墙水冷壁出口集箱标高为66.1m，侧墙水冷壁出口集箱为单根，长度为14.49m，管子外径为273mm，壁厚65mm，材质为15 CrMoG，顶棚标高为65.8m，单侧入口管子布置265根，管子外径为32mm，壁厚6.2mm，材质为12 Cr1MoVG，管间节距为55mm。左、右侧墙水冷壁出口集箱出口联接管各5根，联接管外径为168mm，壁厚为35mm，材质为15CrMoG，两侧集箱各由19件刚性吊杆悬挂在锅炉钢结构支吊梁上。机组运行期间发生锅炉受热面泄漏事件，严重影响机组安全运行。

1 水冷壁出口集箱裂纹、泄漏原因分析

1.1 主要原因

近年来，随着风电不断发展，火电机组年利用小时数不断降低[1]。两台机组自2012年投运后，为配合风电，机组运行期间受调度调峰指令频繁，需要快速升降负荷。2014年以来，风电负荷率大大提高，负荷经常由260MW直降至165MW，负荷升降率也按省调要求提高到4.5MW/min[2]。由于机组运行期间，频繁且快速升降负荷，出口集箱水冷壁角焊缝受到交变应力影响较大，使侧墙水冷壁出口集箱产生金属疲劳[3]，逐步在集箱管座角焊缝处产生裂纹和泄漏，甚至集箱母材亦产生裂纹[4]。

1.2 其他原因

锅炉两侧墙水冷壁管子裂纹情况为：前侧管子裂纹普遍向前，后侧管子裂纹普遍向后，与集箱膨胀方向一致[5]。侧墙水冷壁出口集箱是单根，机组运行期间，受温度变化影响，与入口管子膨胀不一致，管子膨胀受阻，向两侧拉伸[6]；且入口管为膜式鳍片连接，光管距离短，仅为400mm，不能充分吸收管子所受的膨胀力，最终导致入口管子及集箱母材拉裂、泄漏[7]。

2 锅炉侧墙水冷壁出口集箱技术改造

2.1 应力分析

集箱管座与鳍片终止处的所需最小高度由公式(1)计算[4]：

(1)

式中：Ec为冷态弹性模量；D为管子外径；△为最大热态膨胀差，由以下公式(2)计算得出；Sa用于温差应力的许用应力，由以下公式(3)计算得出。

(2)

Sa=0.6×[1.25×(Sc+Sh)-S1-S2]

(3)

式中：L为集箱长度；γ集箱为集箱运行温度下的线膨胀系数；γ管子为水冷壁管子运行温度下的线膨胀系数；Sc为冷态许用应力；Sh为热态许用应力；S1为内压引起的轴向应力，由以下公式(4)计算；S2为自重引起的轴向应力，由以下公式(5)计算[8]。

(4)

(5)

式中：P为设计压力；d为管子内径；G为炉墙重量；N为直管子根数。

按上述理论计算，集箱与管墙最大允许温差与集箱长度和集箱与鳍片终止处高度差有关。原设计的集箱长度为14.489m，集箱与鳍片终止处高度差为400mm，计算得管墙与集箱最大允许温差为15℃。锅炉运行负荷变化过快，容易导致集箱和管墙的温差超出设计允许值，导致管座热应力超过许用应力，长期的快速升降负荷使集箱管座处出现疲劳裂纹。

通过理论计算并结合设备运行情况，提出了集箱分段和集箱抬高的改造方案。其中集箱分段的目的是通过降低集箱长度，减小管墙与集箱的最大热态膨胀差。集箱抬高的目的是增加集箱与鳍片终止处高度差，通过增加光管长度来增加管接头的柔性，提高吸收膨胀差的能力。

2.2 集箱分段改造

原侧墙水冷壁出口集箱为单根集箱，长度为14.489m，因整根集箱过长、膨胀不畅。根据集箱出口导汽管分布情况，将整根集箱改造为单侧3个独立的出口集箱，分为前段、中段、后段集箱，以改变集箱膨胀中心的位置，最大限度的减少集箱管座根部的热应力。其中前段集箱配置一根出口导汽管，中段和后段集箱各配置两根出口导汽管。

2.3 集箱抬高改造

根据原设备图纸及现场实际勘察结果，侧墙改造后的前段集箱可抬高400mm，标高由65400提高至65800mm；后段集箱可抬高300mm，标高由65400提高至65700mm。经计算，集箱抬高后，光管长度增长，能够充分吸收管子膨胀。因此，确定改造后的集箱高度为前段、中段集箱抬高400mm；后段集箱抬高300mm。

2.4 集箱支吊架改造

集箱改造后，吊架承重无变化，因此吊架强度不变；长度发生变化，花篮螺母上部吊杆对应缩短，更换新吊杆，重新连接固定即可。

3 结语

锅炉侧墙水冷壁出口集箱改造施工于2015年6月结束，改造范围内设备至今未发现类似缺陷。彻底解决了集箱入口管子膨胀受阻、应力集中的问题，消除了机组运行或启停期间因温度变化引起的入口管子根部焊缝及集箱母材裂纹、泄漏的重大设备隐患，尤其是锅炉顶棚大包内侧墙水冷壁出口集箱及管座焊缝频繁泄漏、集箱管间母材裂纹的问题，为机组长期处于安全稳定运行状态提供了必要条件，保障机组冬季供暖的可靠性。同时机组检修期间，锅炉侧墙水冷壁出口集箱不再需要整体打磨、检测、消缺，降低了检修成本，缩短了锅炉整体检修工期。