超临界W火焰锅炉水冷壁变形、拉裂问题分析
超临界锅炉水冷壁管横向裂纹原因分析
超临界锅炉水冷壁管横向裂纹原因分析摘要：在改革开放的新时期，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，针对超临界锅炉水冷壁横向裂纹问题，通过对实例电厂锅炉进行调查并对所得数据进行分析，结果表明:横向裂纹产生的主要原因是轴向热应力较大，外部腐蚀性烟气加速了裂纹的扩展，从而缩短了水冷壁管子的使用寿命。
关键词：超临界锅炉;横向裂纹;热应力引言国内超临界锅炉快速发展，大批引进技术国产化的大型燃煤电厂相继投产运行，随着各项目的运行时间增加，经历1～2个大修周期后，由于电力调峰、煤种频繁变化等影响，锅炉设计、金属选材等方面的问题逐渐暴露，设备可靠性出现大幅下降的情况。
该厂锅炉水冷壁横向裂纹问题，已严重危及机组的长期稳定运行，2015年至今已发生15次爆管事件，且频率呈逐年上升趋势。
锅炉发生爆管必须停炉检修，小范围换管一般需要5天以上，不仅损失电量、影响效率，设备还不断经历冷热交替，进一步加剧横向裂纹的发展。
针对已产生横向裂纹的水冷壁管屏，通常根据裂纹深度的不同，采取局部换管、打磨堆焊、电弧喷涂等方式进行处理，均是治标不治本。
该厂从水冷壁横向裂纹产生机理出发，不仅采取了多专业综合控制措施进行了有效治理，还通过采集多煤种、多工况、全时段的水冷壁实际运行大数据进行拟合研究，并结合锅炉的长期负荷率预测，精准实施了锅炉水动力优化调整。
方案实施后，水冷壁运行安全性大幅提高，为机组灵活运行创造了有利条件。
1原因分析1.1过热原因分析这两处的金相组织为珠光体球化4级，均有过热特征。
经检查，此管所对应的入口节流孔未发现有异物，但检查前墙水冷壁焊口时，发现焊口内根部透入量较大，按相关标准，受热面焊口内透量应小于1．5mm，但个别焊口根部内透量单边最大达4．0mm。
焊口根部内透量较大，在焊口处造成通流面积减少，产生节流效应:一方面管内径减少，卡住异物的几率增加;另一个方面通流面积减小，管子下游冷却效果变差，很容易在管子局部发生过热而导致失效。
600 MW超临界W形火焰锅炉水冷壁开裂解决方案
壁壁 温 的变 化情 况 。 ３ ． ２ 在 前墙 水冷 壁设 热 应力释 放 缝
杨飞平 ， 杨柱 ， 唐 真华
（ １ ． 四川华电珙县发 电有 限公 司， 四川 宜宾 ６ ４ ４ ５ ０ ２ ； ２ ． 东方锅炉股份有 限公 司 ， 四川 自贡 ６ ４ ３ ０ ０ ０ ）
摘
要： 分析 了 ６ ０ ０ ＭＷ 超临界 ｗ 形火焰 锅炉水冷壁开裂 的原 因 ， 从锅炉本体设备改 进及运行方法改进 ２个方面制订 了
６ ． ４ ｍｍ， 管 子 尺 寸 为 ∥３ １ ． ８ ｍｍ ×７ ． ０ ｍ ｍ 的区域 ， 水 冷 壁 从 最 薄 弱 的扁 钢 处 拉 开 ； 在扁钢厚度为 ９ ． ０
匀， 前墙水冷壁各管子之间温度偏差较大 ， 使管子间
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ８—１ ６ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ６— ２ ５
第３ ６卷 第 １期
２ ０ １ ４年 １月
华 电技 术
Ｈｕ ａ ｄ ｉ ａ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ６ Ｎｏ ． １
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ４
６ ０ ０ ＭＷ 超 临界 Ｗ 形 火焰 锅 炉 水 冷鬯裁
第３ ６卷
ｍ ｍ， 管 子尺 寸 为 ３ １ ． ８ ｍ ｍ× ５ ． ５ ｍ ｍ 的 区域 ， 由于
已完 全 确定 的情况 下 ， 保 证 暖 风 器 的温 度 在 运 行 过 程达 到 需 要 的 温 度 是 基 础 （ 如 果 暖 风 器 受 热 面 过 小， 应 考 虑进行 改造 ） 。
超临界W火焰锅炉水冷壁开裂原因
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ １ — ２ ２
６８
第４ １卷
超 临界 Ｗ 火 焰锅 炉水 冷壁 开裂 原 因
后墙
２ ０ １ ３年第 ２期
要 ，在 此情况 下 ，则 比较 容 易 发 生 水 冷 壁 变形 甚
至 开裂 。
Ａ ３ ｌ Ａ １ Ｉ Ｅ ３ ｌ Ｅ １ ｌ Ｃ ３ ｌ Ｃ １ ｌ Ｃ ４ ｌ １ ２ ２ Ｉ Ｅ ４ ｌ Ｅ ２ Ｉ Ａ ４ ｌ Ａ ２
重 的损坏
Ｆ ３ Ｉ Ｆ １ Ｉ Ｉ ） ３ Ｉ Ｄ １ Ｉ Ｂ ３ ｌ Ｂ １ Ｉ Ｂ ４ Ｉ Ｂ ２ ｌ Ｄ ４ Ｉ Ｄ ２ ｌ Ｆ ４ Ｉ Ｆ ２
前墙
图 ５ 燃 烧 器 水 平 布 置 图
这种 燃烧 器 集 中布置 的锅 炉 ，虽 有 利 于 劣 质
１
。 ，
》 ｌ
、
直方 向上的抗弯强度很高 ，难 以发生较 大程度 的 形变 ，中 间膨 胀 死 点在 焊 接 连 接 完好 的情 况 下 无
法得 到 向下 的充 分 自由膨胀 ，则 会 发 生 向 炉膛 内
图１ 锅 炉 刚 性 梁 布 置 图
侧 （ 或外 侧 ） 的弯 曲 ，以满 足 热膨 胀 量 释 放 的需
文章编 号 ：１ ０ ０ ６ — ７ ３ ４ ５（ ２ ０ １ ３ ）０ ２ — ０ ０ ６ ８ — ０ ３
１ 前 言
竖直排 列 的低质 量 流速水冷 壁 管 ｗ 火 焰锅 炉 是近 年来我 国为适 应 燃用 无烟 煤 而 开 始 推广 的一 种超 临界锅 炉形 式 。这 种 炉 型能 够 较好 的适应 Ｗ 火 焰锅 炉 的异 形 下部 炉 膛 ，便 于 受 热 面 的布 置 设
超超临界锅炉水冷壁横向裂纹产生原因及控制策略
超超临界锅炉水冷壁横向裂纹产生原因及控制策略发布时间：2021-05-25T08:10:53.636Z 来源：《防护工程》2021年4期作者：李洋[导读] 本文主要分析超超临界锅炉水冷壁横向裂纹产生原因及控制策略。
哈尔滨哈锅电力设备有限公司黑龙江省哈尔滨市 150090摘要：焊接裂纹是焊接接头中较为严重的焊接缺陷，除了降低焊缝的强度外，还会因裂纹末端的尖锐缺口引发严重的应力集中，造成裂纹不断扩展及焊接结构破坏。
通常焊接裂纹可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂等 4 类。
鉴于此，本文主要分析超超临界锅炉水冷壁横向裂纹产生原因及控制策略。
关键词：超超临界锅炉；水冷壁横向裂纹；原因1、引言超超临界燃煤机组锅炉是国内较为先进的火力发电机组锅炉，相较于 1 000 MW 机组，其技术更为成熟。
但多家电厂在实际投运后的检修过程中，发现水冷壁某些特定区域内向火面管子大面积的产生表面横向裂纹，对锅炉的安全运行造成相当程度的隐患。
2、锅炉水冷壁管规格所研究锅炉为某型超超临界参数变压运行直流锅炉，炉膛采用垂直上升膜式水冷壁。
水冷壁管规格为φ28. 6 mm×6 mm，管材均为15CrMoG，节距为 44. 5 mm，管子间加焊的扁钢宽为15. 9 mm，厚度 6 mm，材质为 15CrMo。
在历次检修中，对其前墙某一区域所产生表面横向裂纹统计显示: 水冷壁管横向裂纹较容易产生的区域约 30%集中于吹灰孔周边，包括其余的裂纹区域在内，裂纹大多集中于鳍片和向火面顶点位置。
对此展开研究工作，对吹灰器动作时对管壁应力影响进行计算分析。
同时，选取裂纹较集中部位布置温度测点，配合集控数据，作为有限元分析的依据。
试图从应力分布角度找出裂纹产生的原因。
图 1 为水冷壁管外壁裂纹示意图。
图1水冷壁管外壁裂纹示意图3、超超临界锅炉水冷壁横向裂纹产生原因3.1、超临界 W 型火焰锅炉水冷壁超温及热偏差较大锅炉水冷壁大部分是膜式壁，为让每个地方水冷壁的热负荷处于平衡状态，一般临近的水冷管壁的温度测量位置的温度差异要低于50℃，而同个墙面同个联箱水冷壁管的温度差异应当不高于 80℃。
一台420MW超临界燃煤机组水冷壁管破裂原因探讨及解决对策
文军华能集团香港公司北京市西城区复兴门内大街4号邮编：100031Discussion on root cause of waterwall tube failure on a 420MW coal fired supercriticalunit and the possible resolutionJun WenAddr. No.4 Fuxingmen Neidajie, Beijing, China, 100031ABSTRACT: A 420MW coal fired supercritical unit has experienced two incidents of waterwall tube failure in a short time period. The paper analyzes the possible root causes and gives some recommendations to address this issue.KEY WORD: circumferential cracking thermal fatigue overheating clinker oxide deposition waterwall tube摘要：一台420MW的超临界燃煤机组接连发生了两次水冷壁爆管事故，本文对可能的事故原因进行了分析，并提出了解决对策。
关键词：周向裂纹热疲劳过热结渣氧化物沉积水冷壁管1．背景：该机组于2001年投产，为超临界燃煤机组，采用前后墙对冲燃烧方式，前墙布置3层燃烧器，后墙2层，5台中速磨，每台磨各带一层燃烧器。
炉膛下部燃烧器区域的水冷壁管为螺旋布置方式，过燃烧器区域后，改为竖直上升。
机组有关参数如下：蒸发量 (at BMCR) 1,281,326 kg/h主蒸汽压力 25.88 MPa主蒸汽温度 569 o C再热蒸汽压力 4.3 MPa 再热蒸汽温度 568 o C给水温度 315 o C炉膛宽度 18,360 mm炉膛深度 12,667 mm炉膛高度 46,900 mm(冷灰斗拐点到炉顶)2005年4月14日和16日分别发生了一次水冷壁爆管事故，爆管位置在炉膛两侧墙中心线附近，大约炉膛标高20米的地方，对应于第2排燃烧器的高度，这也是炉膛内热流密度最大的地方。
超超临界水冷壁裂纹原因分析
（ １ ． 哈 尔滨锅 炉厂有限责任公 司， 黑龙 江 哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ４ ６ ； ２ ． 沈 阳特种设备检 测研 究院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ ０ ３ ６ ）
摘 要： 本 文主要分析了超超临界机组水冷壁裂纹产生 的原 因， 并 给出了运行 建议 。
ａ ｎ ｄ ｇ ｉ ｖ ｅ ｓ ｓ ｏ ｍｅ ｓ ｕ ｇ ｇ ｅ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｕｌ ｔ ｒ ａ Ｓ ｕｐ ｅ ｒ ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ； Ｗａ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｌ ｌ ￣ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｌ ｅ； ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
第 １期
２ ０ １ ３年 １ 月
锅
炉
制
造
பைடு நூலகம்
Ｎｏ ． １
ＢＯＩ Ｌ ＥＲ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩ ＮＧ
Ｊ ａ ｎ． ２ ０ １ ３
文章编号 ： Ｃ Ｎ ２ ３～１ ２ ４ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ２ ４— ０ ３
超 超 临 界 水 冷 壁 裂 纹 原 因分 析
和背火面的金相组织均为珠光体和铁素体 ， 没有 发 现组织 球 化现象 ， 见图 ３ 。
将三根水冷壁管样 （ 如图 １ ） ， 沿纵截面 中心
切割 ， 宏 观 和微观 分析 结果 为 ： ＃ ｌ 样， 向火 面 的 内外 壁 面 上 均 有 裂 纹 ， 裂 纹 扩 展 面均垂 直 于管 子 轴 线 方 向 ， 外 壁 面上 裂 纹 多 于 内壁 面 ， 背 火 面 内外 壁 上 未 发现 裂 纹 。外 壁 面
文献标识码 ： Ａ
关键词 ： 超超临界 ； 水冷壁裂纹 ； 分析
超超临界锅炉水冷壁管屏焊接变形缺陷分析及工艺控制
，
焊接 电流 9 5
～
1 10 A
焊前 预 热 至
15 0 ℃
～
250℃
造成较大的附加应 力
，
。
只 能在锅 炉启动后
5 24 ℃
，
3
缺 陷描述
按 以上 焊接工 艺是成熟 的
，
热态 (经 核 查 厂 家壁 温 计算 资料
在 以 前 的水 冷 壁 管屏 组 合
水冷壁 表 面壁 温
水 冷 壁 管 子 允 许 表 面 壁 温 5 5 0 ℃ ) 白行 寻 求 新 的 平 衡 点
，
28 6m
，
5 8m
．
m
小管
。
，
材
质 为 15 Cr M o G
鳍 片厚 度 为 8m
，
m
材 料 为 15 Cr M o
在组
合场 开 始施 焊 组 合
变形
。
组 对 与焊 接施 工 产 生 了较 严 重 的焊 接
2
焊接工 艺
依照
D【 868 ／T
，
—
2004
焊 《 接工 艺评定规程 》进行
．
，
V 形
。
4
缺 陷分 析
1
就 产生 了 比较 严 重 的变 形
组 合后 焊接 变形 严重
，
笔者在组 合场 发 现 水 冷壁 管屏
。
) 管屏 组 合 件 间距 过 长
、
，
每个 间隔达
4
m
见方
，
由
且 呈 波浪状
—
经 实测 最 大相对 变 形
．
于 管子 细
鳍片薄
，
超临界W火焰锅炉水冷壁开裂原因分析
超临界W火焰锅炉水冷壁开裂原因分析摘要：文章以某发电公司超临界W火焰锅炉水冷壁出现开裂问题为例，分析其开裂的原因，并针对这些原因对锅炉本体设备进行改进，并对电厂运行调整进行改进，以供参考。
关键词：超临界W火焰锅炉；水冷壁；开裂1引言近年来随着我国经济的快速发展和社会用电负荷的不断增多，我国加快了对新建电厂的建设以及电厂装机容量的增加，促进了大容量超临界火电机组的建设与发展。
而且在我国目前大力推进无烟煤的燃用过程中，竖直排列的低质量流速水冷壁管W火焰锅炉则成目前超临界锅炉所应用的主要形式，此种锅炉的耗材较少，而且对W火焰锅炉的异性下部炉膛比较适合，而且在运行中出现较小的受热偏差时会进行沙量的流量自补偿，所以具有广阔的应用前景。
但是在此种炉型的实际投产应用中，比较容易出现水冷壁变形和开裂甚至是爆管的问题，需要对此问题的原因进行分析，并采取相应的改进工作。
2水冷壁开裂原因分析以某发电公司的W型火焰锅炉投运之后发生的几次水冷壁拉裂和超温爆管事故为例，经过对事故原因进行分析可知，引起此故障的原因为：一是因为锅炉中的某些炉膛的水冷壁部分出现输入的热负荷过高的现象，这就出现了水冷壁管子内工质的温度过高，也就会导致水冷壁管子及其附近的扁钢温度超出其可以承受的范围，从而导致受到影响的钢材出现许用应力大幅度降低的问题。
二是因为在沿着炉宽方向上的煤粉热负荷存在不均匀的问题，此不均匀的热负荷就会导致前墙水冷壁各管子之间的温度出现较大的偏差，这就会增加水冷壁上的热应力。
在以上原因的作用下就会导致水冷壁在长时间的运行过程中开始出现从最薄弱地方进行开裂的问题，所以需要针对这两个原因进行处理和改进。
3锅炉本体设备改进措施3.1增加水冷壁壁温监测点为了加强对水冷壁管子内工质的温度以及附近扁钢等部位的温度进行监测，并且便于根据其实时温度对热负荷进行调节和控制，所以在分析此发电公司原有的水冷壁壁温测点的数量之后，对其下炉膛、上炉膛的测温点进行增加，尤其是对于沿着炉宽方向上的水冷壁，需要额外增加测点的密度，做到对水冷壁的关闭温度和沿宽度方向的汽温偏差进行有效监测和控制的作用。
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五、几种防止水冷壁变形、拉裂的办法
5炉运行过程中控制炉膛水冷壁的管壁不超温并将 沿宽度方向的汽温偏差控制在合理范围内，是防止水冷壁开裂的最 有效的措施。 因此，在运行中密切监视水冷壁壁温，出现超温或温差过大时
及时采取措施进行调整能够有效避免水冷壁拉裂。
5.2增设热应力释放缝 研究表明超临界锅炉水冷壁拉裂区域集中在前墙中部，因此， 在该区域增设应力释放缝，将扁钢割开以释放应力，是防止水冷壁 管因撕裂而泄露最直接、有效的措施之一。
又称高效超临界锅炉。
二、超临界锅炉的特点
(1)超临界锅炉无汽包，工质一次通过各受热面，各受热面之间
无固定的界限，随着锅炉负荷和工况的变动而变动。 （2）超临界锅炉采用小直径蒸发管，水冷壁管内流动为强制流 动，提高了管内汽水混合物的流速。 （3）超临界锅炉没有汽包，不能进行锅内水处理，给水带来的
盐分出一部分被蒸汽带走外，其余将沉积在受热面上影响传热，因
4.1拉裂原因分析
（1）水冷壁壁温偏差问题 A.W火焰锅炉燃烧器单列布置，炉膛很宽，低负荷或冷态点火时磨煤机 运行数量少，因此从燃料输入热量方面看，极容易出现热负荷不均的现象； B.超临界W火焰锅炉水冷壁内的水在管内某处被完全汽化，管壁温度因
吸热量不同而不同，吸热多的管子出口温度高，水冷壁出口存在50-80℃的
物，进一步增加了水冷壁变形、拉裂现象出现的可能性。
图五、水冷壁温度与膨胀量关系图
4.2拉裂区域分析 （1）烟气流向决定了锅炉前墙中部位置易超温 前 墙 火 焰 压 后 墙 火 焰 ， 烟 气 呈 C 形
互换
炉膛中部氧量 低、燃烧最强
后 墙 火 焰 压 前 墙 火 焰 ， 烟 气 呈 S 形
图六、烟气走向
(3)水冷壁材质、安装工艺问题
A.部分水冷壁管与设计不符；
B.水冷壁材质主要为15CrMoG，部分水冷壁Cr、Mo成分不够； C.水冷壁在安装过程中与鳍片焊接不到位。 (4)异物在水冷壁集箱出、入口和截流孔圈处堵塞问题
新安装的机组，通过酸洗、吹管达到清除管内焊渣、氧化皮
等滞留异物，若清理不彻底，仍有异物滞留管内，机组正常运行 后，堵塞异物的水冷壁管内工质通流减少，传热恶化，导致管壁 超温，恶劣情况下将发生爆管。
偏差，如果炉内燃烧影响热负荷偏差过大，则水冷壁出口温差也将更高； C.垂直管圈的布置形式无法使水冷壁均匀吸热，增加了壁温偏差的幅 度。
(2)水冷壁超温问题 当上部水冷壁管材超过500℃后，材料性能显著下降、许用应力 急剧下降，容易被拉裂。
温度℃ 420 430 440 450 460 许用应力 132 131 130 128 126 MPa
此，超临界锅炉给水品质要求高。 （4）超临界锅炉蓄热能力较低，当负荷变化时，依靠自身锅水 和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低。
三、超临界锅炉常见的拉裂现象
研究发现各个超临界电厂均出现过不同程度的水冷壁拉裂泄露问
题区域相似，都集中于炉膛前墙中部水冷壁。标高40-50m的区域。
图一、金竹山电厂，投产3个月后，在前墙标高41米处水冷壁管弯曲折裂爆破
470 125
480 124
490 121
500 118 1
510 110
520 98
530 86
540 77
550 71
560 65
570 57
580 590 600 50
超温后许用应力下降幅度（与报警温度501℃比较）
0.93 0.83 0.73 0.65
0.60 0.55 0.48 0.42
图四、温度与许用应力对照表
（1） W火焰锅炉主燃烧室布置大量卫燃带 “W”火焰锅炉的主燃烧室内布置大量卫燃带， 使该区域水冷壁 吸热大幅度减少 ，使工质在大比热区避开吸热最强的主燃烧区域。
图七、卫燃带分布示意
综上所述：超临界锅炉因烟气走向决定了水冷壁拉裂现象一般出 现在前墙中部区域，因卫燃带的存在而很少出现在炉膛下部主燃区。
5.3增设卫燃带
在全面掌握锅炉各种负荷下壁温和燃烧情况的同时，针对锅炉 易出现高温区域的部分水冷壁管子，增设一定量的卫燃带，以减少 该区域的吸热量，降低该部分水冷壁管子出口的蒸汽温度，从而降 低整个水冷壁区域的最高温度水平，减少水冷壁的温度偏差，减小
热应力。
5.4防止空预器堵塞 研究表明锅炉在升降负荷时，二次风压的大小与水冷壁壁温有 很大关系：风压越高，水冷壁的壁温波动越小；风压越低，水冷壁 的壁温波动越大且呈直线上升趋势。 风压不够与空气预热器堵塞有很大关系，因此，应首先考虑清 理空气预热器的堵塞，彻底解决燃烧器二次风风箱风压过小的问题。
图二、珙县电厂，投产半年后，炉膛前墙标高45m中部区域开始出现水冷壁泄露、变形情况
图三、镇雄电厂，前墙中部，标高47-65m区域，水冷壁鳍片变形拉裂，51m 处发生泄露
对比发现上述几个电厂均为超临界600MW及以上“W”火焰锅炉，且水
冷壁爆管、拉裂现象均出现在锅炉升降负荷期间。
四、超临界锅炉常见的拉裂区域及拉裂原因分析
谢 谢
超临界W火焰锅炉 水冷壁变形、拉裂问题分析
一、亚临界和超（超）临界机组的定义
水的临界压力：22.12MPa，临界温度：374.15℃；
在这个压力和温度时，水和蒸汽转化汽化潜热等于零，不存在两 相区，即水变成蒸汽是连续的，并以单相形式进行，就叫水的临界 点，炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉，大于这个压力就 是超临界锅炉，目前,国内将工质压力大于26MPa称为超超临界锅炉,
综上分析：由于水冷壁超温，膨胀量比正常时多出了150-200 mm，且在
锅炉升降负荷时，如果输入炉内热量不均，水冷壁管间的正流量特性不足以 补偿热偏差带来的影响，将导致水冷壁出口壁温偏差加大，随之将引起鳍片 温度应力超标，累计到一定程度后就会发生拉裂现象。 同时由于水冷壁在材质、设计、安装中存在的问题与管内可能存在的异