1 000 MW超超临界锅炉T23钢水冷壁防泄漏探讨

2010-04-03温顺利蒋向南

电力建设 2010年9期

温顺利，谢波，蒋向南

（1.天津电力建设公司，天津市，300041；2.大唐陕西发电有限公司，西安市，710065）

0 引言

浙江国华宁海电厂二期2×1 000 MW扩建工程6号机组采用上海锅炉厂有限公司生产的型式为SG3091/27.56-M54X的1 000 MW锅炉。锅炉为超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉、一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢、全悬吊结构塔式布置。

鉴于上海某电厂塔式炉与宁海电厂锅炉类似，该机组在整套启动期间由于螺旋段水冷壁37处泄露问题，造成机组启停14次；而宁海电厂5号锅炉在水压试验后泄漏17次，6号锅炉在水压试验后泄漏3次。因此，为确保宁海电厂二期工程2×1 000 MW机组安全、可靠运行，就发生水冷壁管泄露问题的原因进行探讨并采取积极的应对措施，以降低宁海电厂二期锅炉泄漏的频次。

1 T23钢水冷壁泄漏案例及原因分析

根据对上海某电厂水冷壁管泄漏和宁海电厂二期工程水冷壁管泄漏的统计和分析得出，所有的泄露位置集中分布在螺旋段水冷壁标高48～70 m之间的区域内。此区域为锅炉的燃烧区域，即炉膛内的高温区。水冷壁管为φ38.1 mm×7.3 mm，材质为ST213-T23。以下以水压试验后发生的泄漏为例分析其泄漏原因。

为减少机组整套启动过程中发生泄漏现象而造成非计划停炉次数，针对宁海电厂二期工程2台锅炉，另各加设1套锅炉永久性打压系统（2台炉配1台可移动的打压泵）。这主要是考虑在机组每次启动前对锅炉进行工作压力下的水压检查，以避免锅炉带缺陷启动而造成不必要的经济损失。

在5号锅炉整套启动前的2次水压试验中，共查出6处水冷壁泄漏，其中1处有重复泄漏现象，即共发现7个漏点。统计结果表明，泄漏的部位多是鳍片或镶嵌板与管子的角焊缝处，并且泄漏大多位于4个转角弯管的鳍片的角焊缝处，或是刚性过渡梁与管子角焊缝处，具体位置见图1。

在6号锅炉整套启动前的水压试验中，共查出3处水冷壁泄漏。统计结果表明，厂家焊口位置出现横向裂纹导致泄漏，泄漏具体位置见图2。

对于以上泄漏点的分析和比较，得出泄漏点存在3点共性：

（1）发生泄漏位置的缺陷是裂纹；（2）水冷壁管为φ38.1 mm×7.3 mm，材质为SA213-T23；（3）裂纹位置在水冷壁拼缝处、水冷壁上附件筋板与水冷壁焊接处及厂家焊口处。

结合现场发生泄漏缺陷的特征，以及对泄漏点的比较分析，初步确定泄漏发生有以下3方面的原因：（1）厂家焊口部分咬边、成形差造成应力集中，从而产生焊接缺陷裂纹；（2）设计的焊接结构不合理，部分焊接应力未得到消除，同时又由于水冷壁部位焊接了大量的附件，且这些附件相对较厚，易出现重叠的焊接拘束应力；（3）由于锅炉在启停过程中水冷壁管与较厚附件受热不均也会产生膨胀应力。

综合上述（2）和（3）两方面的因素得出，水冷壁管均经过锅炉的冷热交变，从而引发有刚性梁附件处的水冷壁管易被拉裂，从而造成了水冷壁的多处泄漏。

2 T23钢水冷壁防泄漏措施

2.1 T23钢的焊接特征

T23钢与T12、T22等常用的Cr-Mo钢相比有其特有的焊接特性，其主要不同点如下：

（1）T23钢的Cr、W、V、Nb等合金元素含量比较大，液态金属的粘度较大，铁水流动性比较差，故T23钢焊接的可操作性较普通的Cr-Mo钢差，容易产生未焊透、未熔合、弧坑裂纹，故T23钢焊接时应该防止出现弧坑裂纹、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

（2）T23钢的合金含量超过5%，在焊接过程中与氧接触时易被氧化；因此，为防止焊口根部氧化和焊枯，焊接时内壁应进行冲氩保护。

（3）T23钢的再热裂纹敏感性大，而且咬边、焊缝的成形差等易引起应力集中的焊接缺陷。T23钢对焊接裂纹的敏感性较T12、T22等常用的Cr-Mo钢大，故T23钢焊接时应注意控制焊接成型，防止应力集中。

（4）直道焊、厚焊层的操作手法不适合T23、T24、T91、T92等新型铁素体耐热钢，焊道形状对这类新型铁素体耐热钢焊接接头的冲击韧性有明显的影响。

2.2 T23钢焊接操作要点

根据T23钢的焊接特性和国内外通过试验、实际应用得到的经验，推荐T23钢焊接操作要点如下：

（1）T23钢在焊前预热温度控制在100℃左右，确保焊口无裂纹。

（2）小口径管氩弧焊的焊接冲击韧性比较高，对于小口径薄壁管，推荐用全氩焊接。对于厚壁管，可采用氩电联焊接方法。为提高焊接质量，推荐氩弧焊打底2～3层，管内壁通氩保护，防止氧化。

（3）焊接坡口推荐坡口角度为60°～70°，钝边0.5～1 mm，间隙2～3 mm，间隙太小容易造成未焊透，间隙过大容易造成填充金属量大，造成焊接速度相对减慢，容易导致背面烧焦。

（4）钨棒推荐磨成15°的锥度，较尖的钨棒有利于电弧集中，电弧集中有利于熔池成型和焊接速度的提高，防止根部焊缝过烧。

（5）焊接时在保证熔合良好，在不产生焊接冷裂纹的基础上，应尽量不采用过高的预热及层间温度，不采用过大的焊接线能量，采取多层多道焊，焊层高度为2～3 mm，确保上层焊道对下层焊道的回火作用，改变“大电流、断弧焊、大线能量、厚焊层”的操作方法。

（6）对于拘束应力较小的小口径薄壁管，焊后可不热处理；对于一定拘束度的焊接结构，焊后宜进行热处理，热处理温度为730～760℃。

所有的泄漏点几乎都发生在锅炉燃烧区域标高48～70 m之间，炉膛四角角部水冷壁密封焊接、水冷壁角部固定装置填块焊接、中心固定装置填块焊接这3个部位最容易产生局部应力过大，而在冷热交替状态下使水冷壁管产生裂纹。

锅炉炉膛四角角部密封焊接措施：

（1）钢板、鳍片下料完后必须将钢板所有割口的氧化铁、毛刺等打磨清理干净彻底，使壁板光洁、平直，无凹坑等。壁板用加固筋连接时不打坡口，按图纸要求留出间隙；钢板对接检查其焊口错边量应小于0.1S（S为管壁厚度），每片板的边长、对角线要校核，钢板对接点焊无烧穿、气孔、开裂、漏点、焊点过高、药皮不清等缺陷；钢板焊接前必须将焊道内焊渣、药皮及周围铁锈、杂物清理干净、彻底。

（2）根层点固焊对人员、技术要求均与正式施焊相同。点焊焊缝长30～40 mm，厚3 mm；点焊1点，检查1点，如有缺陷及时清除，重新点焊；点焊缝要均匀分布；进行根层点固焊，不得在焊口外壁上随便引弧、调试电流。

（3）为防止产生较大的应力和变形，对较长的焊缝采用分段退焊法；对焊缝较集中的四角散管密封处，应先焊局部几道自由焊缝1～5，管子的最大间距焊到1 m时，再焊固定焊缝6，如图3所示。由于焊缝1～5都焊接完成，而焊缝6未施焊，所以应力都得从焊缝6处释放，因此，在焊缝6焊接前，对其预热至150～200℃，以便应力释放。

（4）密封焊接焊缝应按照图纸要求进行焊接，各焊高、焊厚及外观要符合要求；如果散管之间的间隙过小，填加同材质的圆钢，如图4所示。

（5）如果散管之间的间隙跟设计间隙差不多，填加同材质的扁铁。必要时填加2块，2块之间开坡口焊接，如图5所示。

在密封工作完成且受热面未保温前对锅炉四角角部重点区域（标高48～70 m）进行了表面检查，确保水冷壁在冷态状态下完好。检查内容如下：

（1）水冷壁拼缝进行100%的渗漏试验；（2）加强T23管子设备及拼缝的表面质量检查；（3）对标高48～70 m的螺旋水冷壁管角部拼缝和铁部件焊缝进行100%的磁粉检测和渗透检测。

另外，对水冷壁重点区域（标高48～70 m）进行应力和硬度测试及分析，并采取释放局部应力措施，确保水冷壁完好。

2.3 T23钢水冷壁构件结构残余应力测试

T23钢水冷壁构件结构残余应力测试采用小孔释放法。小孔释放法只需要在工件表面钻取1个孔径和孔深都为2 mm的小孔，对构件损伤很小，不像普通机械切割测量方法那样具有较大的破坏性；另一方面，小孔释放法的测量精度较高，因为小孔释放法的测量理论可靠，测量结果有较高的可信度。基于上述考虑，采用了小孔释放法进行焊接残余应力的测定。

在6号锅炉的对应位置进行焊缝残余应力测试，现场测试情况如图6所示。测试位置选择出现泄露较多的48～70 m标高区间，共选择2处标高位置，分别为49 m标高和59 m标高位置进行应力测试。测点1：59 m 1号角炉前侧；测点2：59 m 1号角拐角处；测点3：49 m炉前直段过渡梁炉右处；测点4：49 m炉前直段过渡梁炉左处；测点5：49 m 1号角炉右侧；测点6：49 m 1号角拐角处。

2.4 T23钢水冷壁构件结构焊接残余应力测试结果

T23钢水冷壁构件结构焊接残余应力测试结果如表1。从测试结果看，6个测点的应力水平普遍偏高，最高的2号测点最大应力达387 MPa，已经接近T23钢的材料标准屈服极限下限，5号测点也达到了352 MPa。应力值最小的测点是4号测点，为118 MPa。其余测点的最大主应力值在200～300 MPa之间浮动，可见所测点应力值均偏高。

表1 T23 钢水冷壁构件结构焊接残余应力测试结果Tab.1 The measured wielding residue stresses of T23 steel waterwall structure

（1）水冷壁与刚性过渡梁角焊缝位置的应力水平较高，最大测点处接近T23材料标准屈服强度的下限，其余测点应力大小分布于200～300 MPa。

（2）焊接接头应力水平与焊接结构拘束度较高有密切关系，而焊后未热处理使得峰值应力难以缓解。

（3）力学因素是水冷壁焊接接头产生裂纹或泄漏的主要影响因素，较高的应力水平和应力集中容易诱发焊缝及焊缝附近区域产生裂纹或泄漏等。

（4）T23钢水冷壁构件结构现场硬度测试。

1）焊缝位置与焊接残余应力测点相同。选择相同测点的目的是为了将水冷壁应力分布情况与焊接接头的硬度联系起来，综合分析裂纹产生与残余应力分布情况以及焊接质量之间的关系。

2）T23钢水冷壁构件结构现场硬度测试结构及分析。硬度测试结果如表2所示，从表2可以得出：鳍片与管子的角焊缝处母材和焊缝硬度处在较低水平，其中T23管子母材的硬度均分布在130～140 HB之间，而与鳍片焊缝处的硬度大多分布在200～220 HB之间；结合残余应力测试的结果，虽然测点2及测点5的残余应力较高，最高的2号测点最大应力达387 MPa，但是这2个测点的硬度并没有出现明显增大的情况。这一现象说明水冷壁裂纹或泄漏的产生与水冷壁整体结构应力水平较高及焊接结构拘束度较大有更密切的关系，而由于T23钢焊接接头淬硬组织导致水冷壁裂纹的关联度较低。

表2 硬度检测结果Tab.Tab.2 2 The hardness testing results

（5）根据T23钢水冷壁的应力分析试验和硬度分析试验，为消除局部应力过大，采取了对水冷壁上较厚刚性梁附件开应力释放孔及释放槽和对水冷壁填块开应力释放槽，如图7、8所示。

1）考虑到标高48～70 m之间区域内水冷壁泄漏集中，主要对这个区域内的炉膛四角角部水冷壁位置和水冷壁中心固定装置处的水冷壁填块及角部连接板开释放应力槽。此区域内共4层32处，分别是标高65.1，58.83，49.83及40.57 m层，每层共8处，包括4个角部和4个中心固定区域。具体位置为距离刚性梁连接板上下200 mm以内的填块，共计开应力释放槽996处。

a.在图7区域①、②、③范围内按图要求施工；

b.在距离刚性梁连接板200 mm处画出分界线，只有分界线以内的填块需要开应力释放槽。

c.在每块填块上画出中心线，该中心线就是所开释放应力槽的位置，用角磨机在中心线处进行切割，直到把填块切透，同时保证不割伤鳍片。

d.在切割过程中切片必须沿中心线进行切割，要与水冷壁管保持平行，并随时检查，一旦发现有割偏、割斜现象，则该位置停止切割，换另一位置重新切割。

2）为减缓水冷壁由于附件焊接应力、膨胀不均造成水冷壁管子开裂等现象，拟对标高48～70 m层区域转角处刚性梁大板连接件、锅炉膨胀死点处疏形板等处进行开长30 mm、宽5 mm左右的应力释放槽，要求每间隔300 mm左右开1处。为防止割伤水冷壁管，开设时预留与水冷壁管的焊缝，应力释放槽开设完成后进行圆滑过渡，共计开应力释放槽992处，具体尺寸如图9。