超临界塔式直流锅炉水冷壁失效分析及处理

史海涛

（神华国能哈密电厂，新疆 哈密 839000）

电力是国民经济发展的命脉，而火力发电作为我国现阶段最主要的能源供应方式，对国民经济的发展具有重要的促进作用。电站锅炉作为火力发电厂的核心设备，其能否安全可靠的运行将对国民经济产生重要影响。自2015 年7 月四台机组全部投入运营以来，多次发生因人孔门部位水冷壁管泄漏导致的机组停运，其爆漏问题是影响发电机组稳定运行的主要隐患之一。

1 项目概况

神华国能哈密电厂4×660MW 超临界压力直流锅炉为2236t/h 超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛塔式布置、四角切向燃烧（对冲同心正反切圆燃烧系统）、摆动喷嘴调温、一次再热、平衡通风、全钢架悬吊结构、紧身封闭布置、采用干式捞渣机固态排渣的锅炉。锅炉为上海锅炉厂生产SG-2236/25.4-M6007 型锅炉，是为燃烧新疆高碱金属煤质首次设计产品。四台机组同步设计，同步施工，分别于2015 年5 月、2014 年12 月、2015 年1 月、2015 年7 月移交商业运营。

垂直蒸发段水冷壁分两部分，下段四侧各有386 根管子，管子规格Φ35×7mm，材质12Cr1MoVG，管间距为55mm，鳍片规格为6×20mm，材质为SA387-Gr22CL1；上段四侧各有193 根管子，管子规格Φ38×6.5mm，材质12Cr1MoVG，管间距为110mm，鳍片规格为6×72mm，材质为SA387-Gr22CL1。在标高为82.36m 处，四侧各有193 个Y 型三通，每侧386 根管变为193 根管。在标高95.98mn 处，四侧各有193 个T 型弯头，弯头流通处引出至水冷壁出口集箱，垂直向上部分起悬吊作用，不通过介质。

水冷壁螺旋段布置人孔门共2 个，垂直蒸发段水冷壁Y型三通以下布置人孔门共8 个，Y 型三通至水冷壁出口布置人孔门共12 个，水冷壁围墙段布置人孔门共2 个。

截止2018 年9 月30 日，1 号机组累积运行20830h，启停19 次；2 号机组累积运行24019h，启停18 次；3 号机组累积运行23064h，启停25 次；4 号机组累积运行19157h，启停19 次。因人孔门部位水冷壁管泄漏造成的停机达三次，给机组的安全稳定运行带来了巨大隐患。

2 人孔门部位水冷壁裂纹检查情况

（1）发生泄漏部位人孔门设计结构。人孔门部位水冷壁让管与锅炉炉墙垂直布置，密封盒内部采用耐火浇注料填充。密封盒角部与水冷壁连接位置设有埋件，埋件与水冷壁管满焊，形成一个密闭腔室。人孔门密封盒与炉墙采用内外部满焊结构，焊缝布置较多。

图1 垂直蒸发段水冷壁人孔门结构

（2）泄漏照片（图2、图3）。泄漏部位为人孔门密封盒及其预埋件与水冷壁管焊接位置，及与埋件对应的管子向火侧100 ～200mm 范围内区域。

图2 泄漏部位外部

图3 泄漏部位内部

（3）结合机组停备检修对密封盒及埋件与水冷壁焊接位置进行着色检查、对埋件对应的水冷壁向火侧位置进行着色检查：1 号炉检测水冷壁垂直蒸发段人孔门共18 个，1 个人孔门发现裂纹；2 号炉检测水冷壁垂直蒸发段人孔门共22个，5 个人孔门发现裂纹；3 号炉检测水冷壁垂直蒸发段人孔门共20 个，6 个人孔门发现裂纹；4 号炉检测水冷壁人孔门共22 个，8 个人孔门发现裂纹。存在裂纹的水冷壁管多位于锅炉标高71 ～88m 区域。

宏观检查人孔门内部水冷壁管变形严重，对泄漏管子更换割取过程中，管子存在较大应力，管子割开后变形量超过管子直径。

表1

对人孔门附近具有类似结构的吹灰器密封盒与水冷壁管连接位置内、外部进行打磨后着色检查，未发现裂纹；

该位置运行过程中炉墙晃动严重，对水冷壁刚性梁进行检查，发现该部位刚性梁销轴由下往上穿装，上部采用螺栓固定，未能形成有效的刚性连接，运行过程中大量销轴脱落。同时，发现部分销轴连接板安装时存在扩孔现象，严重超出了原设计配合间隙，降低了刚性梁对水冷壁的约束力。

使用NITION XL2 800 型手持元素分析仪对泄漏部位管子进行材质复查，实测管子材质为12Cr1MoV，管子材质与设计相符合。泄漏管子成分见表1。

使用Equotip3 型便携式金属硬度检测仪对泄漏部位上部300mm 位置管子进行硬度检查，硬度值在标准范围内，检测数据见表2。对泄漏部位管子进行金相组织分析，组织成分未见异常（图4）。

表2

图4 爆口附近金相组织

3 原因分析

经对泄漏部位的检查，裂口部位在交变应力作用下，经过较长时间的工作后产生裂纹，裂口附近没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏，为明显的疲劳失效。

（1）水冷壁埋件设计不合理，埋件直接焊接在水冷壁管上，且与密封盒焊缝形成十字交叉焊缝，产生较大的残余应力，在焊缝熔合线位置疲劳开裂。

（2）人孔门设计有待优化，人孔门部位水冷壁让管与锅炉炉墙垂直布置，增加了人孔门密封盒厚度，密封盒内部采用耐火浇注料填充，重量较大，增加水冷壁管与密封盒连接部位应力。宏观检查人孔门部位水冷壁管变形严重，由人孔门部位水冷壁管检查结果及附近采用类似密封结构的吹灰器部位水冷壁管检查结果对比得出：人孔门密封盒尺寸较大，运行过程中，密封盒与水冷壁管膨胀不同步，机组启停过程中产生较大应力。

（3）水冷壁刚性梁销轴由下向上安装，且为螺栓连接，锅炉运行后销轴受热膨胀，锅炉晃动加剧了销轴脱落；或安装过程中存在扩孔将原设计的过盈配合改为间隙配合；运行中失去刚性梁对水冷壁的约束，水冷壁晃动加剧，加速水冷壁撕裂。

（4）我厂机组属于调峰机组，水冷壁管与密封盒连接部位存在较大应力，随着运行时间的增长，水冷壁从应力集中部位疲劳开裂。

4 结论

爆管原因为：锅炉处于调峰运行状态，负荷变化频繁，升降负荷速率较快，并且随着锅炉运行炉墙晃动较大，人孔门部位水冷壁管在长期交变应力的作用下于应力集中部位产生疲劳裂纹。机组调峰运行过程中裂纹快速延伸导致爆管。

5 处理措施

（1）对人孔门结构重新选型，将人孔门部位水冷壁让管与锅炉炉墙垂直布置改为水冷壁让管与锅炉炉墙平行布置，减小人孔门密封盒厚度。

（2）缩小人孔门尺寸，减小密封盒结构的同时，减少了耐火浇注料的使用量，降低人孔门结构的整体重量。通过减小密封盒结构，减小密封盒对水冷壁管膨胀的约束，有效降低了应力。

（3）优化人孔门密封盒与水冷壁连接焊缝。在水冷壁管背火侧增加半月板型埋件，埋件内径与水冷壁管外径相同，埋件紧贴水冷壁管布置，两侧与水冷壁鳍片焊接，避免结构件与水冷壁管焊接，残生残余应力。将人孔门密封盒与水冷壁直接焊接结构更改成人孔门密封盒与半月板埋件单面焊接。从而有效减小密封盒与水冷壁管膨胀不均产生的应力直接作用在水冷壁管上。密封盒内部采用耐火浇注料填充，保证炉墙保温效果，同时减小人孔门漏风。

（4）改进后的人孔门密封结构外部增加硅酸铝保温棉厚度，减小重量的同时保证锅炉运行中人孔门区域不超温。

（5）排查刚性梁销轴脱落情况，优先将锅炉角部销轴更换为新型销轴（新型销轴采用过盈配合，销轴从下往上穿装，上部采用全焊接结构固定，避免销轴脱落）。制定销轴更换计划，逐步更换整台锅炉销轴。

（6）检查销轴连接板扩孔情况，结合销轴更换工作，将扩孔后的连接板一同更换。从而加强刚性梁对锅炉水冷壁的横向约束力，减小锅炉运行中的晃动情况。

6 结语

锅炉应力是不可消除的，锅炉在设计、制造时应充分考虑锅炉结构设计，减小外部结构对承压部件的刚性束缚；同时，需考虑连接件的结构，避免运行中连接件脱落失去刚性连接。安装过程中，应按设计进行安装，严禁私自变更设计的配合间隙。运行过程中，严格按照机组运行曲线操作（控制温度、压力调整速率）。检修时，加强对应力集中部位的检查，及时发现并消除安全隐患。

通过以上措施的执行，逐步优化四台锅炉人孔门部位水冷壁及密封盒结构，有效控制了我厂因人孔门部位水冷壁失效造成的机组非停，提高了机组运行可靠性。