亚临界锅炉水冷壁横向裂纹研究分析

王凯 杨慧峰

摘要：某火电厂一期工程2×330MW机组分别于2005年10月和2006年5月投产。锅炉为亚临界参数，自然循环单炉膛，一次中间再热，平衡通风，四角喷然，紧身封闭，固态排渣，设计燃用烟煤。炉膛四周由光管及内螺纹的膜式水冷壁组成。锅炉采用四角切圆燃烧，布置五层煤粉喷管，宽调节比，上下浓淡分离摆动式燃烧器。水冷壁规格63.5×7，材质SA-210C。在2009年至2017年间发现炉内水冷壁管高温腐蚀区域出现横向裂纹，为此本文阐述了水冷壁横向裂纹的产生原因分析。

关键词：水冷壁管道;高温腐蚀;横向裂纹;疲劳开裂

一、水冷壁高温腐蚀

#2炉2009年开始发现水冷壁高温腐蚀问题。经过燃烧器改造、水冷壁喷涂等治理手段，水冷壁高温腐蚀得到缓解，但高温腐蚀从未停止过，自2017年至2021年3月，#2炉累计更换高温腐蚀减薄超标水冷壁管3214米。

二、水冷壁横向裂纹

1、横向裂纹初期：早在2015年#2机组检修进行防磨防爆检查时，发现炉内燃烧器区域水冷壁高温腐蚀区域管子外壁存在“横向裂纹”，尤以炉膛#2角、#4角较为严重，由于当时对横向裂纹的认识不足，且深度很浅运行中发展缓慢，因而未引起高度重视。

2、横向裂纹扩展：在2017年#2炉检修期间发现水冷壁横向裂纹扩展，对存在裂纹的管子取样，割下的管子进行检查肉眼可见存在多处裂纹，对裂纹区域纵面剖开，渗透检查，多数深度在0.5-1.0mm之间，个别深度达1.5-2.5mm，占壁厚的36.8%。

三、原因分析及采取措施

1、水冷壁高温腐蚀原因初步分析

（1）煤质含硫量增加，是导致水冷壁高温腐蚀加剧的主要原因。

根据该电厂运行规程燃煤成分及特性，四台锅炉设计煤质含硫量为≦0.83%，校准基硫0.91%，而从近几年燃煤硫份均在1.5%左右，最高1.6%，根据相关文献资料，含硫量1.0%以下的烟煤很少发生水冷壁高温腐蚀;含硫量在1.2%-1.5%，水冷壁高温腐蚀速率1.5-3mm/万h;含硫量大于1.5%，水冷壁管高温腐蚀会更加严重，部分腐蚀速率达2.6mm/万h。

（2）低氮燃燒器改造，燃烧器区域的低氧燃烧运行方式，导致水冷壁腐蚀加剧，是近年来水冷壁高温腐蚀的重要原因之一。

低氮燃烧器改造后易造成主燃烧器去出现局部的低氧燃烧，形成局部的还原性气氛，造成水冷壁表面的高温腐蚀。

DL/T612-2017第6.11.2条款：采用低氮燃烧技术的锅炉水冷壁宜采用防止高温腐蚀措施。

采用低氮燃烧技术的锅炉，由此引发的问题是可能导致水冷壁出现高温腐蚀，特别是前后墙对冲燃烧的锅炉，该电厂锅炉炉膛断面尺寸为14048mm×12773mm的长方形，高温腐蚀区尤以#2角前墙和#4角后墙最为严重，目前水冷壁侧墙也已出现水冷壁高温腐蚀问题。

（3）水冷壁喷涂质量差，防护效果差，也是导致水冷壁高温腐蚀加剧的原因之一。

2、水冷壁横向裂纹原因产生分析

（1）横向裂纹特征：产生于水冷壁炉膛内管道的外壁，沿长度方向存在多条平行的肉眼可见裂纹并垂直于裂纹的方向扩展，属于典型的疲劳裂纹（腐蚀性热疲劳），裂纹由外壁向内壁扩展。

（2）横向裂纹产生机理：

主燃烧器和燃尽风标高区域，壁面热负荷高，而吹灰器附近管道由于吹灰频繁和吹灰枪管带水的原因，使得此三个区域工质参数和传热特性变化剧烈，且变化频繁。为横向裂纹高发区，是产生裂纹的本质原因。

机组点火启动停炉、深度调峰、升降负荷等工况下，炉内水冷壁管道外壁收到冷-热交变应力影响，再狡辩应力的反复作用下，造成塑性变形损伤的积累，从而在炉内水冷壁管道外壁产生裂纹，并由外壁向内壁扩展。

H2S等腐蚀性物质沿管子外壁的“微裂纹渗入”侵蚀母材，又加剧了水冷壁高温腐蚀区域微裂纹的发展，故此类裂纹称为“腐蚀性热疲劳裂纹”。

个人认为高温腐蚀不是横向裂纹产生的主要原因，但是起到了加速的作用。

3、水冷壁裂纹分析

金相分析结果显示管养裂纹区域组织均为铁素体加珠光体，组织正常。管样向火面（炉内侧）外壁均可见穿晶型裂纹，由外壁向内壁扩展，内部充满腐蚀产物。

4、水冷壁横向裂纹采取措施

（1）机组深度调峰升、降负荷时，应尽可能控制升降负荷的速率，以减少拉应力对水冷壁管子的损伤。

（2）结合防磨防爆检查对高温腐蚀区域和吹灰器附近的水冷壁管子进行重点检查，发现异常采取有效措施，对存在横向裂纹的管子尽可能更换。

（3）换管焊接时，防止对口间隙过大，采取控制对口间隙，采用小电流等措施减少焊接应力，尽量降低焊接应力对存在高温腐蚀横向裂纹管子的影响，防止横向裂纹扩展。

（4）换管时对旧管子侧管口及附近区域打磨进行表面探伤，将存在的横向裂纹彻底清除，防止其焊接时扩展。

（5）通过燃烧调整等措施尽可能壁面或减少水冷壁高温腐蚀，新版DL/T612-2017中第13.5.4新增条款：加强锅炉燃烧调整，改善贴壁气氛，壁面高温腐蚀。锅炉采用主燃烧区过量空气系数低于1.0的低氮燃烧技术时，应加强贴壁风气氛监视，C级及以上检修时应检查锅炉水冷壁管高温腐蚀情况

5、结语

（1）、据资料介绍，近几年无论超超临界、超临界还是亚临界均出现水冷壁管外壁横向裂纹，分析认为其形成原因时腐蚀性疲劳所致。

（2）超超临界、超临界较亚临界锅炉水冷壁管外壁横向裂纹的形成速度快;对于亚临界锅炉，水冷壁高温腐蚀区存在的细横向裂纹，运行中发展缓慢，仅在较大的应力状态下裂纹才加剧扩展。

（3）水冷壁横向裂纹检查（表面探伤）费工费时，清理难度大。应寻找更简便、有效的检验方法。

（4）应从燃烧调整等运行方式寻找较为彻底的解决方法。

（5）横向裂纹事关锅炉安全运行，是目前需要迫切解决的问题，应当引起高度重视。

参考文献：

[1] 国家能源局.DL 612-2017 电力行业锅炉压力容器安全监督规程[S].北京：中国电力出版社，2017.

[2]侯锡瑞.电站锅炉压力容器压力管道安全技术[M].北京：电力出版社，2005

作者简介：王凯，男，1985-，汉，宁夏银川人，本科，工程师，研究方向：火电厂金属材料