火电厂锅炉水冷壁鳍片横向拉裂问题分析*

郭伟平

(潞安余吾煤业公司，山西 长治　046100)

0　引　言

火电厂锅炉水冷壁鳍片一旦出现横向拉裂问题，煤粉的燃烧效果、炉膛的密闭性将直接受到影响，随着锅炉的不断运行，拉裂还很有可能扩展到水冷壁上，这就对锅炉的整体安全运行带来了较大威胁，因此，对火电厂锅炉水冷壁鳍片横向拉裂问题开展研究具备的较高现实意义。

1　鳍片宽度超宽

S火电厂机组锅炉锅筒压力、给水压力、给水温度分别为11.27 MPa、14.3 MPa、143 ℃，过热器出口蒸汽压力为9.8 MPa、温度为525 ℃，锅炉的最大连续蒸发量为130 t·h-1。但在该锅炉投运一年后进行首次检验时，却发现该锅炉的炉膛水冷壁多处鳍片出现了横向拉裂，且鳍片中心已经完全开裂、变形，裂纹的尖端已经接近水冷壁管壁。横向拉裂主要出现在鳍片吹灰器、看火孔、燃烧器、人孔等特殊结构附近，且横向开裂情况直接受鳍片宽度影响。值得注意的是，对鳍片横向拉裂部位水冷壁管与鳍片的角焊缝向火侧进行渗透检测未发现缺陷[1]。

1.1　问题分析

由于锅炉水冷壁鳍片中心表面温度与鳍片宽度的平均方成正比、与鳍片厚度成反比，这就使得鳍片越宽(固定鳍片厚度下)，鳍片的中心表面温度越高，由此带来的鳍片区域较高温差应力将直接为热疲劳导致引发的开裂提供契机。图1为水冷壁人孔区域结构，结合该图可发现该区域的鳍片烧毁、水冷壁管弯折情况，因此该火电厂锅炉水冷壁形成了A、B、C、D共四个鳍片超宽区域，图1中水冷壁管节距为80 mm、规格为d60 mm×5 mm。因此，该锅炉水冷壁鳍片宽度为20 mm，超宽区域其宽度则能够达到200 mm，这就使得鳍片根部与中心存在着较大的温差，温差带来的热应力直接导致了水冷壁鳍片的横向拉裂，且这种横向拉裂最早出现于鳍片中心区域并不断向两侧延伸[2]。

图1　水冷壁人孔区域结构

1.2　解决措施

为解决S火电厂锅炉水冷壁鳍片横向拉裂问题，技术人员采用了改造水冷壁结构的措施，通过将3根水冷壁管起始弯折点放在同一条直线并与人孔两侧水冷壁管弯折段平行，同时将最外面弯折段水冷壁管距离设为鳍片宽度设计值的20 mm，即可顺利解决该火电厂锅炉水冷壁鳍片的横向拉裂问题，图2为改进后的人孔区域结构。

图2　改进后的人孔区域结构

2　焊接工艺与材料不匹配

Y火电厂锅炉为SG-2833.2/29.3-M7006型号的百万千瓦机组超超临界锅炉，该锅炉的水冷壁可以分为垂直段、过渡段、螺旋段三部分。在水冷壁管屏地面组合焊接中，水冷壁鳍片焊缝产生了大量横向拉裂，该段水冷壁管材为12Cr1MoVG，锅炉水冷壁鳍片材料为SA387-Gr22CL1，板厚为6.4 mm。其中，SA387-Gr22CL1材料的抗拉强度为415～585 MPa、最小屈服强度为205 MPa、50 mm试验延展率为18%、最小断面收缩率为45或40。

2.1　问题分析

SA387-Gr22CL1钢在国内火电厂锅炉上的应用较少，且其具备较强的冷裂倾向和淬硬倾向，这使得SA387-Gr22CL1钢对焊接工艺控制有着较高要求，只有采用较高的预热温度和焊后热处理，才能够避免焊接过程中焊缝出现横向拉裂。在Y火电厂锅炉的现场焊接中，焊条选择了R407并选择了SMAW焊接方法开展单面焊，使用焊条的直径为3.2 mm，焊接的电流、电压分别为80～120 A、20～26 V，焊接速度则为50～90 mm/min。由于技术人员认为水冷壁鳍片不属于锅炉的承压部件，因此焊接过程省略了焊前预热、焊后缓冷措施，因此可确定Y火电厂水冷壁鳍片焊接过程出现横向拉裂问题的原因如下：

(1) 焊前缺乏有效预热。焊前预热具备减缓焊缝熔敷金属冷却速度、加快焊缝中金属扩散氢逸出的功能，由此即可较好避免焊接过程的氢致裂纹出现[3]。同时，焊前预热还具备降低焊接结构拘束度、提高焊接接头抗裂性、降低焊接应力等作用，可见缺乏有效焊前预热与横向拉裂问题出现存在的直接联系[4]。

(2) 焊后缺乏缓冷措施。焊后缓冷措施具备降低残余应力作用、保证扩散氢充分逸出等作用，这些就使得缓冷措施在水冷壁鳍片焊接过程中能够较好降低材料的淬硬性、改善组织。

(3) 施焊顺序、焊缝分布不当。结合焊接现场实际，可发现单面焊不能较好满足锅炉水冷壁鳍片焊接需要，这是由于该焊接方法不利于焊接应用的释放，同时产生的较大焊接压力也为水冷壁鳍片焊接过程的横向拉裂出现提供了契机。

2.2　解决措施

结合上文分析，为真正解决Y火电厂锅炉水冷壁鳍片横向拉裂问题，技术人员改善了水冷壁鳍片的焊接工艺，采用了SMAW双面焊接与分段焊接方法，焊接段控制为2～3 m，焊条选择了直径为Φ3.2的R407并需要在使用前经350 ℃高温烘焙1 h，焊前预热温度、层间温度均控制为200～300 ℃。值得注意的是，焊接完成后需立即加盖保温材料进行缓冷，表1为具体的改进后焊接参数工艺。

表1　水冷壁鳍片改进后焊接参数工艺

对于已经出现横向拉裂的水冷壁鳍片，采用了打磨处理，经过渗透检测确定横向拉裂得以清除后，采用了改进后焊接工艺开展补焊处理，最终焊接产生的横向拉裂得以顺利解决。

3　焊接残余应力影响

Z火电厂锅炉为超临界参数变压运行直流炉，该锅炉采用四角切向燃烧方式、单炉膛平衡通风、半露天布置，该锅炉的过热器出口压力、再热器出口压力分别为25.4 MPa、4.41 MPa，过热器出口温度与再热器出口温度分别为571 ℃、569 ℃，额定蒸发量为2 080 t/h。Z火电厂锅炉于2011年3月投产，2017年12月技术人员发现水冷壁鳍片出现了横向拉裂，且中间过渡集箱入口前螺旋水冷壁管焊口开裂，其中水冷壁管的规格为Φ38.1×7.22 mm，材质为15CrMoG。

3.1　问题分析

开展宏观分析可以清楚发现，水冷壁鳍片拉裂与水管对接焊缝平行，其中鳍片处2条裂纹与炉膛内侧3条裂纹已有2条贯穿内外壁。观察金相试样可以确定对接焊口采用了1遍氩弧焊打底加1遍手工电弧焊盖面的焊接工艺，其中手工电弧焊焊接线能量较大，进一步分析可发现鳍片裂缝整个截面内孔呈现沿鳍片方向伸长的椭圆，内孔长径、短径分别为26.80 mm、23.50 mm，外径椭圆度为8.7%，可确定水冷壁管承受了较大鳍片方向拉伸应力。进一步开展金相检验与有限元分析，可发现裂纹存在残余应力释放裂纹形貌，同时结合图3所示的应力云图，可以确定水冷壁鳍片拉裂源于焊接残余应力与结构应力共同作用[5]。

图3　水冷壁管应力云图

深入分析不难发现，受钢结构焊接过程温度场不均匀影响，焊件出现了收缩、膨胀的不均匀，因此焊件内部产生了焊接应力，而受到焊缝金属的环向收缩影响，则催生了拉伸残余应力。刚刚提到手工电弧焊熔敷金属最厚处为6.00 m，这就使得焊接产生的残余应力较大，受锅炉结构影响产生的较大鳍片拉力不仅会造成焊缝的裂纹，水冷壁鳍片自身也会出现横向拉裂，且这种裂纹与拉裂情况将随着锅炉的不断运营而严重化[6]。值得注意的是，鳍片的横向拉开裂源于焊接残余应力的叠加，复杂的应力状态使得鳍片焊缝焊趾处极易出现横向拉裂。

3.2　解决措施

通过重点检查与试验相似部门、开展针对性探伤检验，即可通过更换问题部位解决拉裂问题，技术人员还需要定期截取相似部位焊接接头、检查锅炉膨胀情况、定期开展水冷壁管椭圆度检验，由此可较好实现问题的预防。

4　结　论

综上所述，围绕火电厂锅炉水冷壁鳍片横向拉裂问题开展的研究具备较高现实意义。而在此基础上，本文涉及的鳍片宽度超宽、焊接工艺与材料不匹配、焊接残余应力影响等研究实例，则证明了研究的实践价值。因此，在相关领域的理论研究和实践探索中，本文内容能够发挥一定参考作用。