0引言

某廠兩臺鍋爐分別于2017年9月、11月投入商業(yè)運行,截至2024年6月,己分別累計運行4.8萬h、4.6萬h。鍋爐水冷壁管材為15CrMoG, 自2022年9月以來,累計發(fā)生4次因水冷壁向火側(cè)橫向裂紋導(dǎo)致的鍋爐泄漏事件。同時調(diào)研同類型電廠發(fā)現(xiàn),近年來省內(nèi)己有近二十臺機組多次發(fā)生水冷壁向火側(cè)橫向裂紋泄漏,涉及爐型基本為垂直管屏水冷壁的鍋爐,以引進日本三菱技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界鍋爐最為普遍和嚴(yán)重;省外,近年來投產(chǎn)同型號鍋爐的一家電廠,因煤質(zhì)較差,運行約2萬h,即首次發(fā)現(xiàn)水冷壁橫向裂紋, 目前仍然普遍存在水冷壁橫向裂紋問題?，F(xiàn)針對該型鍋爐特點,結(jié)合某廠水冷壁泄漏情況,分析橫向裂紋產(chǎn)生原因和防治措施。

1 設(shè)備概述

1.1 鍋爐概述

該廠兩臺1 000 MW鍋爐為超超臨界變壓運行直流鍋爐,帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng),采用Π型布置、單爐膛、一次中間再熱、低NO_x主燃燒器和高位燃盡風(fēng)分級燃燒技術(shù)、反向雙切圓燃燒方式。鍋爐最大蒸發(fā)量3077 t/h,額定壓力28.25MPa,爐膛水冷壁采用焊接膜式壁,內(nèi)螺紋管為垂直上升式,爐膛斷面尺寸為34 220 mm× 15670 mm。水冷壁管共有2240根,左、右側(cè)墻各352根,前、后墻各768根。其中,下爐膛為φ28.6mm × 5.8mm(最小壁厚)四頭螺紋管,管材為15CrMoG,管子間加焊的扁鋼寬為15.9 mm,厚度6mm,材質(zhì)15CrMo;上爐膛為φ28.6mm × 5.8mm (最小壁厚)四頭螺紋管和光管,管材為15CrMoG,管子間加焊的扁鋼寬為 15.9mm,厚度8mm,材質(zhì)15CrMo。在上下爐膛之間裝設(shè)一圈中間混合集箱以消除下爐膛工質(zhì)吸熱與溫度的偏差。

1.2水冷壁橫向裂紋泄漏概況

近年該廠因水冷壁橫向裂紋導(dǎo)致泄漏4次,具體如下:

1)2022年9月,2號爐首次發(fā)生因母材橫向裂紋導(dǎo)致的水冷壁泄漏,泄漏管為水冷壁后墻標(biāo)高48.5 m左數(shù)第48、49根管。

2)2023年4月,2號爐水冷壁前墻標(biāo)高46.5 m上層燃盡風(fēng)噴口上彎頭左數(shù)第518、519、520根管發(fā)生因母材橫向裂紋導(dǎo)致的泄漏。

3)2023年12月,2號爐水冷壁左側(cè)墻標(biāo)高49 m前數(shù)第338至344根管發(fā)生因水冷壁管對接焊縫融合線兩側(cè)橫向裂紋導(dǎo)致的泄漏。

4)2024年1月,1號爐水冷壁左側(cè)墻標(biāo)高48.5 m前數(shù)第120、121根管發(fā)生因母材橫向裂紋導(dǎo)致的泄漏。

2原因分析

2.1 高溫腐蝕影響分析

該廠鍋爐采用低NO_x 主燃燒器和高位燃盡風(fēng)分級燃燒技術(shù),八角反向雙切圓燃燒方式。通過爐膛內(nèi)速度矢量場(圖1)可以清晰地看到燃燒區(qū)域外切圓呈橢圓形,左側(cè)爐膛N0.3、N0.4燃燒器尾焰指向鍋爐#5角,N0.5、N0.6燃燒器尾焰指向鍋爐#3角,在橢圓的兩個頂點形成了高溫區(qū);左右爐膛對稱布置,燃燒器布置型式造成了爐膛內(nèi)2、3、5、8為熱點區(qū)域(圖2),該情況也是鍋爐燃燒器設(shè)計型式?jīng)Q定的。另外,采用SOFA技術(shù)的大容量高參數(shù)鍋爐,無論燃用什么煤種,爐膛水冷壁幾乎都會發(fā)生高溫腐蝕問題,低NOx燃燒技術(shù)和高溫腐蝕始終共存。

低NO_x燃燒技術(shù)+八角切圓垂直+垂直水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的區(qū)域主要為主燃燒器與燃盡風(fēng)中間區(qū)域的四面墻水冷壁向火側(cè),腐蝕最嚴(yán)重之處位于前墻#2、#3角,后墻#5、#8角(圖2)。腐蝕的外管壁在吹灰蒸汽的吹損下明顯減薄,2018—2022年,水冷壁因吹灰器吹損造成管壁減薄的主要問題,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇祿p與高溫腐蝕疊加作用,管壁減薄加劇。鍋爐長期運行,水冷壁管壁高溫腐蝕、吹損導(dǎo)致減薄的位置也由鍋爐B層吹灰器層鍋爐#2、#3、#5、#8角逐漸向鍋爐上、下兩端擴展。

近年來,調(diào)頻調(diào)峰、機組啟停、管壁溫度偏差等原因造成的熱交變應(yīng)力影響逐漸顯現(xiàn),水冷壁失效的主要問題也由吹損+高溫腐蝕加劇管壁減薄逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗g與熱交變應(yīng)力相互促進,加劇水冷壁橫向裂紋產(chǎn)生。

2.2水冷壁橫向裂紋機理特征

水冷壁向火側(cè)橫向裂紋一般同時存在多條,均呈環(huán)向分布,裂紋走向與管子軸向垂直(圖3),表明裂紋的產(chǎn)生和擴展動力來源于水冷壁管存在的軸向彎曲應(yīng)力。裂紋由外壁向內(nèi)壁擴展,裂紋斷面呈扇形,可見疲勞弧線;斷面上有相互平行的清晰的疲勞條紋,呈圓弧形,有規(guī)則的間距,并垂直于裂紋的擴展方向,是典型的金屬疲勞特征。高溫腐蝕不能直接形成橫向裂紋,但可以促進、加速裂紋的擴展。

因此,鍋爐水冷壁管向火側(cè)橫向裂紋產(chǎn)生的主要原因為水冷壁管在高溫運行環(huán)境下,由于軸向彎曲應(yīng)力作用發(fā)生熱應(yīng)力疲勞,導(dǎo)致向火側(cè)管壁表面開裂。

2.3橫向裂紋位置特點

該廠鍋爐水冷壁發(fā)生橫向裂紋的位置均集中鍋爐標(biāo)高46 m至50 m處,上層燃盡風(fēng)噴口至水冷壁中間集箱下部區(qū)域。該區(qū)域有以下特點:

1)該區(qū)域是下爐膛熱負(fù)荷最高的區(qū)域。

2)該區(qū)域是水冷壁介質(zhì)汽—液兩相混合區(qū)域,是介質(zhì)變化對下爐膛水冷壁影響最敏感的區(qū)域。

3)該區(qū)域的燃燒器彎管、燃燒器正對直管、安裝焊縫及中間集箱引入/引出管彎頭處的直管,均為應(yīng)力集中位置。

4)該區(qū)域個別水冷壁管壁溫較周圍管偏差大。

5)該區(qū)域是爐膛還原性氣氛較高區(qū)域,易產(chǎn)生水冷壁高溫腐蝕。

2.4水冷壁軸向彎曲應(yīng)力來源

1)水冷壁管壁溫變化,是水冷壁軸向彎曲應(yīng)力的主要來源^[1]。水冷壁正常運行期間,管壁溫度隨著負(fù)荷變化而反復(fù)升降,存在固有的軸向彎曲應(yīng)力。同時,近年來,在電網(wǎng)新調(diào)峰形勢下,該廠機組負(fù)荷大幅、頻繁變動,經(jīng)常出現(xiàn)“白天深度調(diào)峰、晚間頂峰保供”的情形,負(fù)荷波動頻繁極易造成水冷壁管壁溫度大幅波動(波動區(qū)間350~490℃),造成水冷壁管軸向彎曲應(yīng)力進一步增大。

2)水冷壁管壁溫偏差,是水冷壁軸向彎曲應(yīng)力的另一來源。該廠機組全負(fù)荷運行期間,部分區(qū)域相鄰水冷壁管壁溫偏差超過30℃ ,在相鄰水冷壁管向火面產(chǎn)生較大的軸向彎曲應(yīng)力,該區(qū)域水冷壁管軸向彎曲應(yīng)力長期累積后形成熱應(yīng)力疲勞,優(yōu)先產(chǎn)生橫向裂紋。

2.5 水冷壁管壁溫頻繁、劇烈變化以及壁溫存在偏差原因

2.5.1水冷壁管壁溫頻繁、劇烈變化原因

2.5.1.1深度調(diào)峰前后負(fù)荷變化影響

該廠地處蘇北新能源中心,大容量風(fēng)電裝機及不確定的風(fēng)速容易造成該廠機組負(fù)荷大幅變化,深度調(diào)峰、機組啟停更加頻繁。2022年,兩臺機組完成30%負(fù)荷深度調(diào)峰改造,頻繁參與35%和30%負(fù)荷深度調(diào)峰,調(diào)峰的深度、次數(shù)、累計時長逐漸增加(圖4)。

該廠制定了《深度調(diào)峰安全運行措施》,深調(diào)期間優(yōu)先選擇C、D、E三臺制粉系統(tǒng)運行,經(jīng)試驗,此為最佳磨組方式。該磨組方式下,水冷壁管壁溫波動幅值較低,水冷壁前后墻壁溫偏差較小。但是,深度調(diào)峰前后的負(fù)荷變化過程中,水冷壁管壁溫易擾動,變化幅度較為劇烈。當(dāng)深度調(diào)峰開始,降負(fù)荷停運底層磨煤機時,鍋爐燃燒減弱,導(dǎo)致水冷壁管快速降溫;當(dāng)深度調(diào)峰結(jié)束,啟動磨煤機升負(fù)荷時,鍋爐熱負(fù)荷上升,導(dǎo)致水冷壁管快速升溫,壁溫變化率超過5℃/min(圖5)。

2.5.1.2 日內(nèi)機組負(fù)荷大幅變化影響

近年來,該廠經(jīng)常出現(xiàn)“白天深度調(diào)峰、晚間頂峰保供”的情形, 日內(nèi)機組負(fù)荷大幅、頻繁變化,負(fù)荷經(jīng)常性短時大幅度變化容易造成水冷壁管壁溫大幅波動。

2.5.2水冷壁管壁溫存在偏差原因

該廠2號爐水冷壁左側(cè)墻第331—347根管、右側(cè)墻第331—347根管、后墻第23—59根管、前墻第259—287根管存在較大的壁溫偏差,上述管子均位于鍋爐的熱角。負(fù)荷穩(wěn)定期間,機組全負(fù)荷段,上述壁溫高出相鄰水冷壁管20~30℃ ,機組負(fù)荷升降期間,壁溫高出相鄰水冷壁管50~80℃。

鍋爐水冷壁管存在壁溫偏差的主要原因分析如下:

1)進入爐膛的一次風(fēng)粉偏差。通過啟停磨煤機試驗分析發(fā)現(xiàn):磨煤機進入爐膛各角的一次風(fēng)粉速度、濃度的偏差,造成爐內(nèi)切圓燃燒偏斜,甚至貼壁燃燒,引起管壁溫度偏差。

2)進入爐膛的二次風(fēng)量偏差。該型鍋爐前后墻二次風(fēng)存在設(shè)計偏差,機組負(fù)荷升降階段,鍋爐二次風(fēng)量變化后,爐膛火焰可能發(fā)生偏斜,造成管壁溫度偏差。

3)燃燒器缺陷。鍋爐長期運行后,同層燃燒器擺角不一致、燃燒器燒損嚴(yán)重,可能導(dǎo)致爐膛火焰發(fā)生偏斜,造成管壁溫度偏差。

4)水動力不穩(wěn)。煙氣側(cè)的燃燒偏差造成水冷壁管間吸熱偏差,熱強度越大的管子流動阻力相應(yīng)越大、流量越小,容易造成水冷壁管內(nèi)流量偏差的程度進一步加大,引起水動力不穩(wěn),造成壁溫偏差擴大。

3 應(yīng)對措施

3.1 運行控制方面

1)合理降低負(fù)荷變化速率。研究“兩個細(xì)則”和深度調(diào)峰的考核要求,分負(fù)荷段精細(xì)控制負(fù)荷變化速率,降低水冷壁管壁溫的變化速率^[2]。AGC方式下負(fù)荷變化速率, 由原來的18MW/min調(diào)整為10~12MW/min;500 MW以下深度調(diào)峰時,確定“先快后 慢、中間停留”的原則,以50 MW為負(fù)荷變化間隔,階 梯控制負(fù)荷變化速率。

2)探索控制過熱度和主汽壓。合理權(quán)衡對低負(fù)荷運行經(jīng)濟性下降、汽輪機排汽濕度增加的不利影響,探索低負(fù)荷段分離器“低過熱度”運行方式,并根據(jù)情況拓展至全負(fù)荷段,適當(dāng)升高主汽壓,觀察水冷壁典型管段的壁溫幅值和壁溫偏差變化情況^[3],最終形成固化的運行措施。

3 )試驗改善壁溫偏差。提高啟停機階段、500 MW負(fù)荷以下階段的總風(fēng)量,加強切圓剛性,避免“雙切圓”左右跑偏,減少壁溫偏差。二次風(fēng)擋板開度采用“倒寶塔型”配風(fēng)方式,提高燃燒區(qū)斷面熱負(fù)荷,強化燃燒均勻性,減少火焰偏斜。觀察不同磨煤機啟停對水冷壁管壁溫偏差的影響,制定差異化調(diào)整措施。

4)做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。加強水冷壁相鄰管存在壁溫偏差的統(tǒng)計分析,加強兩臺機組之間壁溫偏差的對比分析,建立水冷壁管壁溫偏差專項臺賬,統(tǒng)計鍋爐運行過程中水冷壁相鄰管存在壁溫偏差的管道位置、壁溫偏差量、偏差出現(xiàn)次數(shù)、累計時長,做好跟蹤監(jiān)視運行,并納入運行小指標(biāo)競賽項目。同時,在檢修開始前提供給檢修人員制定相關(guān)檢查、檢測項目。

5)持續(xù)做好加氧工作。延續(xù)現(xiàn)有加氧方式的良好實踐,加強加氧指標(biāo)控制,持續(xù)觀察加氧效果,利用檢修機會檢查氧化皮生成情況。策劃開展“1 000 MW機組熱力設(shè)備水系統(tǒng)全覆蓋腐蝕防治及智能給水處理”項目,進一步提升加氧控制水平。

3.2檢修策劃方面

1)細(xì)化檢查清單。通過調(diào)研同類型鍋爐水冷壁產(chǎn)生橫向裂紋的情況,結(jié)合該廠水冷壁運行特點,編制水冷壁易產(chǎn)生橫向裂紋的重點區(qū)域清單。清單實施動態(tài)管理,根據(jù)水冷壁運行和檢修檢查情況,及時調(diào)整相關(guān)重點區(qū)域。

2)開展等級檢修。在執(zhí)行鍋爐“四管”防磨防爆全面檢查的基礎(chǔ)上,對橫向裂紋產(chǎn)生的水冷壁重點區(qū)域和水冷壁存在壁溫偏差的管道開展專項檢查。在常規(guī)目視宏觀檢查的基礎(chǔ)上,增加磁粉或滲透檢測的區(qū)域面積,提高裂紋檢出率。對異常管段進行換管處理。同時,檢查水冷壁管壁溫偏差大的管道對應(yīng)的節(jié)流孔圈是否存在異物、結(jié)垢堵塞。等級檢修后,根據(jù)需要開展制粉系統(tǒng)調(diào)整試驗。

3)開展調(diào)停檢修。機組調(diào)停7天及以上時,編制專項檢查方案,利用檢修吊籃對易產(chǎn)生橫向裂紋的水冷壁區(qū)域開展專項檢查,以磁粉或滲透檢測手段為主,檢驗是否存在裂紋,并及時處理。

4)開展逐步換管。針對該廠鍋爐運行近5萬h的特點,定期總結(jié)鍋爐水冷壁管壁溫偏差臺賬和檢查記錄,建立水冷壁管區(qū)域更換先后次序,制定三年滾動換管計劃,做好換管及相關(guān)工作。

5)加強膨脹檢查。針對機組啟停、負(fù)荷變化率較大的運行階段,開展鍋爐膨脹系統(tǒng)檢查,重點檢查水冷壁膨脹是否正常,剛性梁受熱膨脹時能否自由滑動,焊縫高度及導(dǎo)向間隙是否符合圖紙要求,使鍋爐爐墻能夠有序膨脹,并做好臺賬記錄,持續(xù)跟蹤分析。利用等級檢修機會,檢查鍋爐剛性梁上的掛鉤是否正常。

3.3 技改方面

1)開展一次風(fēng)調(diào)平優(yōu)化。為降低水冷壁管壁溫偏差,使鍋爐更適應(yīng)深度調(diào)峰工況運行,開展鍋爐一次風(fēng)粉在線自動調(diào)平改造,使各負(fù)荷段以及變負(fù)荷工況下的一次風(fēng)粉偏差均小于5%。

2)開展燃燒調(diào)整優(yōu)化。為使鍋爐二次風(fēng)流場更加均勻,消除鍋爐前后墻二次風(fēng)偏差大的問題,進行鍋爐二次風(fēng)流場檢測設(shè)計優(yōu)化以及鍋爐動力場試驗,優(yōu)化鍋爐燃燒調(diào)節(jié)性能,降低水冷壁管壁溫偏差和壁溫變化速率。

3)開展水動力特性微調(diào)優(yōu)化^[4]。煙氣側(cè)優(yōu)化調(diào)整后,觀察實際運行情況,開展鍋爐水冷壁水動力校核計算,通過微調(diào),減少低負(fù)荷階段個別水冷壁管流量偏差,降低水冷壁管壁溫偏差。

4)開展深調(diào)優(yōu)化調(diào)整。深入研究深調(diào)方式下的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制,進一步提高運行安全性。

4 結(jié)論

本文通過總結(jié)設(shè)備檢修、運行、技術(shù)改造等方面的良好實踐措施,結(jié)合機組自身運行、檢修特點,形成專項治理方案,并不斷優(yōu)化完善,鍋爐水冷壁橫向裂紋頻繁泄漏的問題得到了有效控制,提高了鍋爐設(shè)備可靠性。

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