摘要：锅炉是火力发电厂最为重要的生产设备，它的安全稳定运行是发电厂运行可靠的首要因素。而锅炉水冷壁是锅炉组成部分中工作环境最为恶劣的，水冷壁管是否安全运行直接影响整个发电设备的安全运转。本文根据大唐南京发电厂#1炉水冷壁检修情况，分析归类出锅炉水冷壁的失效类型与原因，为以后的锅炉水冷壁检修与运行提供一定的参考。
关键词：水冷壁 ；失效类型；产生原因；防止措施
1 引言
大唐南京发电厂锅炉为超超临界参数变压运行本生直流锅炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。由哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进三菱重工业株式会社技术生产。炉膛水冷壁采用焊接膜式壁，炉膛断面尺寸为给19268mm×19230mm，水冷壁管共有1728根，均为φ28.6mm×6.4mm（最小壁厚）四头螺纹管，在上下炉膛之间装设了一圈中间混合集箱以消除下炉膛工质吸热与温度的偏差。
水冷壁是锅炉最主要的受热面，直接承受着炉膛火焰的辐射热，工作环境恶劣，极易发生泄漏或爆管，因此总结和分析水冷壁的失效类型及产生原因，并得出解决措施对于保证电厂的稳定运行有着积极的意义。
2 水冷壁缺陷分析
2.1 水冷壁高温腐蚀
大唐南京发电厂#1、#2机组燃烧器采用四角切圆燃烧方式，其水冷壁向火侧高温腐蚀多集中在燃烧器侧及偏上方区域，高温腐蚀区域与挂渣严重区域一致。管壁表面的腐蚀产物外表面有不规则突起，质地较为坚硬，附着在水冷壁表面不易剥落，剥落时呈片状脱落。将腐蚀产物剥落后观察，发现呈灰褐色。
水冷壁向火侧所受到的是严重的高温硫腐蚀，煤中的硫元素是烟气中腐蚀性含硫化合物的主要来源。在炉膛内，烟气温度较高，煤粉里的FeS2受热分解，从而产生腐蚀初产物FeS，即FeS2→FeS+S
硫原子对水冷壁材质的腐蚀，主要是在炉膛内的还原性环境下，没有过剩的氧原子，直接与Fe发生反应产生FeS，从而腐蚀水冷壁管表面
即Fe+S→FeS
在炉内高温环境下，反应继续发生，FeS氧化后产生Fe3O4
即3 FeS +5O2→Fe3O4+3SO2
反应不断进行，金属管壁就不断发生腐蚀减薄。而水冷壁壁温的异常升高对高温腐蚀有比较明显的加速作用，这就使此区域的水冷壁管腐蚀更为严重。这点从本次对#1炉水冷壁检修时可以发现，壁温较高的区域，水冷壁高温腐蚀较为严重。
对于水冷壁的高温腐蚀，一方面我们要通过调整锅炉运行燃烧来控制壁温，防止超温现象的发生；另一方面可以通过给水冷壁表面进行铬镍合金喷涂来防止高温腐蚀的发生。而后者对高温腐蚀抑制效果显著，从#1机组炉内水冷壁腐蚀情况观察来看，已进行过金属喷涂的部位未再发生明显的高温腐蚀，因此可以将金属喷涂作为控制管子高温腐蚀的主要措施。
2.2 水冷壁管横向裂纹
#1炉水冷壁管横线裂纹主要出现在水冷壁中间集箱向火侧，最为严重的区域在前墙靠近左侧部位，经江苏方天检测发现此部位水冷壁管出现大量横向裂纹，裂纹由管外壁向内延伸，最大深度达2mm，严重威胁水冷壁管的安全运行。
根据外厂相同机组的检查分析结果来看，造成水冷壁管横向裂纹的主要原因是超温。水冷壁超温区域与临近区域有较大温差，造成管子之间有膨胀差异，形成热应力，并反复拉扯，造成金属热疲劳，最终出现横线裂纹。
本次检修发现的横向裂纹严重区域曾经出现过超温现象，为了进一步确定此区域出现的横向裂纹与超温之间是否有关系，特在此区域增添温度测点，测量炉内热负荷变化时此区域水冷壁壁温的变化情况，研究壁温与横向裂纹的因果关系，确定合理的锅炉运行方式，提高水冷壁安全性。
其次原因是燃烧器配风调整不到位，火焰射偏，造成炉膛内部部分水冷壁区域烟气热负荷较高、还原性气氛较强，促进了水冷壁横向裂纹的发展。通过调整燃烧器调整配风，减少火焰偏射，消除或减少还原性气氛的产生，阻止高温烟气在水冷壁表面聚集，可以减少横向裂纹的产生。
对于出现较浅横向裂纹的管子，应对缺陷部位打磨至裂纹消失，并做圆滑过渡。为防止裂纹进一步破坏管壁，进行金属防腐喷涂，保护处理部位。对于出现较深横向裂纹的管子应更换处理，并对新管进行金属防腐喷涂。
2.3水冷壁管吹损
#1炉水冷壁在此次检修过程中发现不少管子存在磨损现象，主要是吹灰器四周吹损和喷燃器周围管子吹损。尤其是吹灰器造成的吹损，有多处管子管壁减薄严重，最严重的管壁减薄仅剩2.9mm，处于随时有可能爆管的状态。因此，对于#1炉来说，吹灰器吹损水冷壁管子对于水冷壁的危害最大。
吹灰器周围管子吹损与吹灰器起吹角度和吹灰汽压有关，通过合理调整起吹角度就能避免因吹灰器吹灰而造成的管子磨损。已造成磨损的管子，减薄30%以上管壁的管子应予以更换，轻微吹损的管子采取防磨金属喷涂的方法来保护管子表面。
#1炉喷燃器周围水冷壁管磨损情况较好，仅少数管子有轻微吹损，一方面喷涂防磨材料保护管子，另一方面对燃烧器的喷燃角度、运行方式等也要调整好，避免过度磨损水冷壁管。
2.4鳍片开裂
#1炉水冷壁鳍片采用材质为15CrMo耐热钢轧制的扁钢条。在检查过程中发现部分鳍片开裂，开裂的裂纹有横向裂纹和纵向裂纹两种。鳍片开裂危害很大，不仅使炉膛密封失效，造成漏风漏灰现象，还会拉裂水冷壁管引起泄露，造成机组停炉的严重后果。
鳍片横向开裂多发生在电焊起焊和收弧处，呈横向开裂。#1炉水冷壁鳍片横向裂纹的开裂大部分比较轻微，少数裂纹开裂严重，已延伸到管子表面。在锅炉长期运行过程中，裂纹会逐渐延伸扩大，拉裂水冷壁管，因此鳍片横向开裂危害最大，一定要仔细检查，发现缺陷鳍片及时切除并更换新鳍片。造成横向裂纹的区域主要是在人工焊接鳍片的管子附近。主要原因是一是焊接不过关，焊接强度不够；二是与安装工艺有关，在塞填鳍片时，先点焊鳍片一侧，然后在用手锤将鳍片敲击就位，焊接另一侧，因此先点焊的一侧就收到很大的应力，容易产生裂纹，后焊接的一侧收到拉力也容易产生裂纹。
而鳍片的纵向裂纹多发生在整片管屏最后施工的几条焊缝上，主要原因是焊接时造成焊接应力集中，当应力大于焊缝金属抗拉强度时，产生裂纹。本次水冷壁检修就发现多处纵向裂纹出现在管屏焊缝上，裂缝较长，造成炉膛严重漏灰。也有部分自动焊缝产生纵向裂纹，但本次检修并没发现，造成的原因也多是焊缝融合有问题，焊接强度不足。
因此，我们在鳍片焊接时要想减少裂纹，就一定要严格执行焊接工艺要求，杜绝强力对口焊接，保证焊接质量，改变鳍片强力敲击就位的焊接方法，仔细检查每一道焊过的焊缝，合理安排好焊接顺序，以减少焊接变形，均分管屏的应力。有条件的情况下尽量使用氩弧焊等有保护气体的焊接方式来减少焊缝的残余应力和变形。
总结
通过本次水冷壁检修，我们发现#1炉水冷壁失效类型可以总结为高温腐蚀、横向裂纹、吹损、鳍片开裂等情况。水冷壁发生这些失效情况，既与设备安装施工工艺不符合要求有关，也与我们在长期运行过程中没有合理运行锅炉有关。这就需要我们在设备出现问题后能够及时发现解决问题，并能从中分析出原因，找出避免措施，防止相同问题再次发生。在本次检修中，#1炉水冷壁更换了出现问题的管子240根，对出现磨损和腐蚀的部位给予了金属喷涂，调整了燃烧器燃烧角度和吹灰器起吹角度，建立了超温区域壁温检测系统。通过这些措施，为#1炉水冷壁的安全运行打下了坚实的基础。
参考文献
[1]周颖驰.锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及对策 [J]. 热力发电，2013,42(7):198-141.
[2]胡清铭.锅炉腐蚀的原因与预防. 工业锅炉，2004(5):54-56.
[3]张家维，张忠华，张振杰，等. 超超临界锅炉内螺纹管垂直上升水冷壁横向裂纹原因分析及治理[J]. 东北电力技术，2013(10)：24-30.
论文作者:周子竣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/26
标签：水冷论文; 裂纹论文; 横向论文; 炉膛论文; 锅炉论文; 高温论文; 区域论文; 《电力设备》2019年第1期论文;