浅淡锅炉水冷壁鳍片开裂致水冷壁爆管的原因及防范措施

浅淡锅炉水冷壁鳍片开裂致水冷壁爆管的原因及防范措施

李新民

广州发展电力科技有限公司 511458

摘要：某电厂锅炉投运十多年后检查发现炉膛水冷壁鳍片大面积裂纹,裂纹由鳍片中心向四周的水冷壁管延伸,裂纹尖端已接近或延伸至水冷壁管母材，并导致水冷壁爆管。结合检查情况分析锅炉水冷壁鳍片形成裂纹的原因，并针对不同成因类型的鳍片裂纹提出了预防措施和相关建议，对检修具有指导意义。

关键词：电厂锅炉；水冷壁；爆管；原因分析；防范措施

引言

锅炉是火力发电厂三大主要设备之一，锅炉“四管”爆漏是影响锅炉安全经济运行的重要问题。某电厂四台锅炉均为哈尔滨锅炉厂生产的亚临界中间再热自然循环汽包炉，单炉膛采用四角布置摆动式燃烧器，四角切圆燃烧方式。锅炉炉膛四周为全焊膜式水冷壁，吸收炉辐射热，水冷壁管径为φ63.5×8mm，节距S=76.2mm，共652根。在距冷灰斗拐点3m至折焰角高热负荷区四面墙采用内螺纹管。后墙从冷灰斗拐点以上3m到折焰角处，前、侧墙从冷灰斗拐点以上3m到再热器遮盖区水冷壁，采用内螺纹管，其余部分均为光管，整个循环系统有72根φ159×18的引入管和98根φ159×18mm的引管。燃烧方式正压直吹式制粉系统,四角喷燃切圆燃烧。锅炉给水温度272.4℃。该锅炉的蒸发受热面由炉膛四周的水冷壁(包括冷灰斗部分)、延仲侧墙与折焰角上部的水冷壁、后水冷壁悬吊管，以及对流管束组成。水冷壁主要由鳍片、管子、支承件等组成。鳍片是水冷壁的核心部件之一，由均匀排列的薄板构成，起到增加受热面积、增强强度、改善受热状况的作用。

一.概况

2022年8月31日22：30运行人员巡检发现#3炉8楼左侧K11吹灰枪附近受热面有异音，查机组相关参数正常，通知检修现场检查确认受热面爆管泄漏。23:32受热面泄漏声音明显增大，23:42值长命令#3机开始停机。9月2日检修开出工作票，搭设架子后检查确认：折焰角斜坡水冷壁炉左往右数第22根母材拉裂泄漏（距离水冷壁后悬吊管的变径管焊缝约40mm），并吹损相邻的炉左数第21根水冷壁后悬吊管的变径管。9月3日9：20 #3炉水冷壁泄漏检修及相关检查工作结束，#3机组报备，待调度安排后恢复运行。

二.检查处理情况

1.爆管检查及处理情况

①更换折焰角斜坡水冷壁炉左数第22根直管段（与后悬吊管变径管对接的光管段），直管长约830mm，规格为φ63.5×8，材质为20G；对炉左数第21根水冷壁后悬吊管变径管吹损减薄部位进行打磨补焊（实测变径管吹损处最小壁厚为5.8mm，因无备件，故本次抢修不作更换），补焊后进行了渗透检测（PT）并正常。变径管规格为φ76×9×φ63.5×8，材质为20G。

②对折焰角斜坡水冷壁及其密封板进行了外观检查和磁粉检查，对部分密封板与水冷壁管的对接焊缝裂纹较严重的部位进行了挖磨，消除近管壁处的尖形裂纹，经磁粉检测确认管壁无裂纹。具体部位（与后悬吊管变径管对接的水冷壁管处）：左数第10、11、12、13、14、16、17、18、19、20、21根；右数第4、5、7、13、14、16、17、18、19、20、21根。

③对漏点附近的折焰角斜坡水冷壁（小室侧，变径管及其前后管段）进行了管壁测厚，除炉左数第21根水冷壁后悬吊管变径管吹损减薄外，其它9根检测正常，具体部位：炉左数第17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27根。

④利用就近架子对后屏再热器炉左数第1～8屏、末级再热器炉左数第1～10屏、后屏过热器炉左数第1～8屏管子进行了外观检查，未见异常。

⑤对后屏再热器（距下弯头约1.2米处）炉左数第1屏后数第1根的两个焊口、第2屏后数第1根的1个焊口、第3屏后数第1根的1个焊口进行了渗透检测（PT）并正常。

⑥对折焰角斜坡水冷壁（后屏再热器下部）炉左数第1根鳍片割开后进行了磁粉检测（MT）并正常。

⑦对新、旧管、焊材、密封板、焊缝经光谱材质检测，与图纸符合。

⑧对新换接管的焊口经射线检验，符合要求。

2.近几年机组计划性检修水冷壁检查处理情况

近年来在机组计划性检修时，检查发现#1～#4锅炉炉内可见的水冷壁鳍片密封均有不同程度的裂纹现象，并有恶化趋势。

①2021年#4锅炉计划性检修：折焰角斜坡水冷壁鳍片焊缝有多处不同程度的裂纹（总长约5米），对裂纹打磨消除并经检验合格，烧焊恢复。

②2021年#3锅炉计划性检修：吹灰器层水冷壁鳍片有多处不同程度的裂纹（总长约20米），对裂纹打磨消除并经检验合格，烧焊恢复。

③2022年#1锅炉计划性检修：冷灰斗前后斜坡及其人孔门附近、燃烧器层看火孔附近水冷壁鳍片均有不同程度的裂纹（总长约150米），对裂纹打磨消除并经检验合格，烧焊恢复。

④2022年#2锅炉计划性检修：燃烧器层、吹灰器附近、炉膛观火孔附近水冷壁鳍片均有不同程度的裂纹（总长约200米），对裂纹打磨消除并经检验合格，烧焊恢复。

⑤2023年#3锅炉计划性检修：吹灰器层、炉膛观火孔附近水冷壁鳍片均有不同程度的裂纹（总长约150米），对裂纹打磨消除并经检验合格，烧焊恢复。

⑥2023年#4锅炉计划性检修：折焰角斜坡水冷壁、吹灰器层水冷壁鳍片均有不同程度的裂纹（总长约250米），对裂纹打磨消除并经检验合格，烧焊恢复。

⑦2024年#2锅炉计划性检修：冷灰斗前后斜坡、燃烧器层、折焰角斜坡、吹灰器层、炉膛观火孔附近水冷壁鳍片均有不同程度的裂纹（总长约300米），其中吹灰器层吹灰器套管、炉膛观火孔附近水冷壁鳍片裂纹已向水冷壁管母材延伸，较之前和其他机组有明显的劣化趋势。对裂纹打磨消除并经检验合格，烧焊恢复；对裂纹已延伸至母材的进行更换水冷壁管及鳍片。

⑧2024年#1锅炉计划性检修：折焰角斜坡水冷壁、冷灰斗前后斜坡、燃烧器层、吹灰器层、炉膛观火孔附近水冷壁鳍片均有不同程度的裂纹（总长约250米），对裂纹打磨消除并经检验合格，烧焊恢复。

三.原因分析

从检查情况可知，水冷壁鳍片裂纹部位主要集中于炉膛人孔、看火孔、吹灰器、燃烧器、折焰角等特殊结构附近的鳍片区域。水冷壁鳍片裂纹的原因主要包括热疲劳、焊接残余应力、较大的温差作用、鳍片硬度高和脆性大、焊接质量差、以及设计条件的影响。

1.折焰角斜坡水冷壁的结构原因。水冷壁管与鳍片密封板在相同受热环境中，因鳍片密封板与管子之间存在受热不同，水冷壁管有流动介质，而鳍片密封板干烧，存在较大温差作用，产生热应力，在机组长期运行（已超10万小时）后，造成鳍片密封板薄弱的部位（密封板对接焊缝）萌生裂纹。

2.裂纹扩展的原因。折焰角斜坡水冷壁密封板的对接焊缝裂纹（初始裂纹）在机组长期运行过程中经多次启停及变负荷过程中温差变化影响逐渐扩展，最终延伸至水冷壁管母材，导致拉裂水冷壁管造成此次泄漏。

3.炉膛人孔门、炉膛观火孔的密封填料失效或破损，运行人员打开观火孔检查炉膛结焦情况后，观火孔关闭不到位，因炉膛负压运行，冷风持续从人孔门、观火孔进入炉膛，造成人孔门、观火孔附近水冷壁鳍片温度不均匀分布，产生热冲击应力，从而形成裂纹。这是检查发现炉膛人孔门、炉膛观火孔附近水冷壁鳍片裂纹更集中的原因。

4.吹灰蒸汽带水、吹灰器枪管及其套管冷却风原因。吹灰蒸汽管道的疏水管道引出位置不合理：部分疏水管水平引出，不是管道的底部最低点引出；疏水管长且疏水控制阀少。造成吹灰蒸汽管道疏水不充分，内部存有积水，吹灰器每次启动吹灰初期蒸汽带水。另外为保护吹灰器盘根、枪管等部件因过热而损坏，当吹灰停运时,外面冷空气通过吹灰器的空气阀、经提升阀和枪管持续进入炉膛。吹灰蒸汽带水、吹灰器枪管冷却风均会造成吹灰器附近水冷壁鳍片温度不均匀分布，产生热冲击应力，从而形成裂纹。这是检查发现吹灰器附近水冷壁鳍片裂纹更集中的原因。

5.焊接质量差：鳍片与管子的焊接质量差，如在氧气切割时产生热应力，在切开的尖锐的直角缺口部位产生较大的应力集中，导致鳍片在缺口处开裂并扩展。机组计划性检修水冷壁换管后，水冷壁鳍片焊接恢复时焊缝存在夹渣、咬边、未焊透或漏焊等焊接缺陷，经长周期运行后缺陷逐渐扩大，最终产生裂纹。检查发现冷灰斗前后斜坡附近水冷壁鳍片焊接缺陷尤为明显。

6.管材力学性能下降的原因。水冷壁管经长期运行（已超17万小时），力学性能下降也是造成水冷壁泄漏可能的原因之一。

7.运行环境的影响也能使水冷壁鳍片密封裂纹的产生，像锅炉频繁启停，负荷的剧烈变化，停炉的快速冷却等，这些都给锅炉水冷壁鳍片开裂留下隐患。

综上所述，水冷壁鳍片开裂是一个多因素作用的结果，包括材料特性、焊接工艺、设计条件等多个方面的影响。

四.防范措施

1.充分利用机组停运机会，在条件允许情况下，及时进行锅炉水冷壁下联箱前、后墙小室内鳍片裂纹隐患的排查及处理。

2.举一反三：利用机组计划检修对锅炉炉水冷壁鳍片密封进行打磨着色检查，对存在裂纹有延伸至母材隐患的，视情况打磨消除、重新补焊；有裂纹延伸至管材并导致管材受损的，对管材进行更换。

3.针对折焰角斜坡墙，后墙折焰角转角处，水冷壁下部四角转角处，人孔、吹灰器、观火孔周围等历年曾经出现过受热面密封部位泄漏重点区域及宽鳍片密封部位，制定计划进行重点检查，并形成检修记录。

4.严格按焊接工艺规范操作，提高检修工艺水平和焊接质量。鳍片密封新焊缝100%外观检查，并加强专检、验收。

5.对引出位置不合理的吹灰蒸汽管道的疏水管道，重新布置疏水管道（含疏水阀）。对吹灰器进行改型或对吹灰器的空气阀进行改造。

6.对炉膛人孔门、炉膛观火孔的密封填料进行更换，保证人孔、炉膛观火孔关闭严密。

7.日常加强锅炉受热面巡检，发现泄漏异常，应及时安排停机处理，防止泄漏进一步吹损周围管子。

五.结语

总之，现代锅炉的蒸发受热面，绝大部分是由水冷壁构成，水冷壁鳍片裂纹是发电厂锅炉运行中常见的问题，在日常的维护和管理中，需要采取一系列有效的措施来避免其产生，保证锅炉的运行安全和效率。