锅炉水冷壁裂纹成因分析与处理

张钧臣

摘 要：分析锅炉水冷壁形成裂纹的原因，并针对不同成因类型的水冷壁裂纹给出处理方式，解决水冷壁裂纹问题，保障锅炉长周期安全运行。

关键词：锅炉;水冷壁;裂纹;处理

引言

水冷壁管作为锅炉四管之一，防磨防爆管理是重要的工作。水冷壁裂纹作为水冷壁经常出现的典型故障，长期影响着电厂锅炉的安全运行。以我们公司为例，自2019年9月至2020年4月期间，2台锅炉水冷壁出现裂纹、爆管共计8次，导致锅炉非计划停运2次，经济损失达到一百五十余万元。水冷壁管的爆管，通常也都是由水冷壁管的细小裂纹引起的，因此解决水冷壁裂纹问题成为保证公司锅炉长周期安全经济运行的关键。

水冷壁裂纹的形成主要是因为应力作用导致的，从应力源进行分类主要包括热应力造成的裂纹、焊接应力导致的裂纹、机械應力导致的裂纹等几种情况，下面就这几种情况进行分析，说明造成裂纹的具体原因并提出解决措施。同时，针对锅炉水冷壁外侧裂纹，提出运行处理意见。

1、热应力造成的裂纹

锅炉正常运行时，水冷壁管外壁受到高温火焰的辐射，而内壁被汽水混合物冷却。汽水混合物的温度就是汽包压力下的饱和温度。由于20G管的导热系数大，水冷壁管厚一般不大于6mm，管壁热阻较小，水冷壁管在高温火焰的强烈辐射下，热负荷很高，靠近火焰中心的水冷壁管热负荷更高，导致水冷壁管内外壁温差可达60～80℃，内外壁温度的差别造成20G管内外壁膨胀率不一致，从而在水冷壁管内产生了热应力。

锅炉水冷壁管运行期间热应力一直存在，运行时数达到一定程度后容易因应力疲劳造成水冷壁管的拉裂。同时，水冷壁管个别区域长期受锅炉烟气冲刷严重，导致锅炉水冷壁管变薄，在热应力的作用下很容易形成裂纹。

预防水冷壁管因热应力造成拉裂的主要方法就是加强水冷壁管的技术监督，大小修期间对水冷壁管进行详细检查，有条件的可以对水冷壁管进行理化检验，对理化检验不合格或者不足以维持一个检修期的水冷壁管进行更换。锅炉水冷壁管的金相检验显示20G管向火面和背火面金相组织具有明显差异，向火面一侧珠光体区域的碳化物有明显分散，向晶界聚集，珠光体开始呈现球化现象，背火侧20G管的铁素体和珠光体组织晶界清晰。

2019年10月，公司发生一次锅炉过热器室水冷壁爆管故障，停炉检查发现爆管部位发生在中温过热器区域，靠近东侧与北侧水冷壁的连接部位，该部位积灰较严重，通过对水冷壁裂纹进行分析，认为水冷壁管表面积灰多，水冷壁管发生灰下化学腐蚀，出现腐蚀坑，在热应力的作用下形成裂纹而爆管。现场处理过程中，由于水冷壁内测为过热器管束，采用开天窗的方式进行部分水冷壁管的更换。

2、焊接应力导致的裂纹

锅炉水冷壁管大多采用膜式水冷壁，膜式水冷壁是由鳍片和水冷壁管焊接而成，焊接工艺水平直接决定了膜式水冷壁的质量，现代锅炉膜式水冷壁的焊接制造通常采用全自动焊接生产线。

电厂锅炉检修工作中，水冷壁管焊接通常由于工作量小，必须由人工进行。焊接过程中焊接质量直接取决于焊材的选择、焊接工艺是否适当两个方面。焊材焊接过程中氢气的存在容易导致焊接结构变脆，降低水冷壁管的局部抗拉强度，因此焊接过程中最好选用低氢型碱性焊条。焊接工艺方面主要是水冷壁管与水冷壁管的对口焊接、水冷壁管和鳍片的焊接问题，水冷壁管与水冷壁管的焊接如果存在对口间隙不当、内外壁偏差过大、焊高超标、焊口过于集中等问题，容易造成焊后应力集中，锅炉运行后水冷壁管在热应力与焊接应力的共同作用下容易产生裂纹。水冷壁管与鳍片的焊接若鳍片断面中心线与水冷壁管中心线不在同一平面内的情况，焊接残余应力作用在焊接位置形成扭应力，导致鳍片与水冷壁管连接处出现裂纹，并随着锅炉运行时间的延长不断加长加深。

2020年3月份，公司1#锅炉振动炉风室内发现漏水现象，停炉后检查发现水冷振动炉排水冷壁管与鳍片连接处存在环向裂纹。分析认为焊接工艺不良是造成水冷壁管裂纹的主要原因，公司每台锅炉由2组水冷振动炉排片，2组水冷振动炉排片之间采用折瓦和硅酸铝绳密封，上次检修期间拉裂位置折瓦脱落后，补焊折瓦过程中焊接工艺不当，使折瓦与水冷壁管直接对接焊接，同时该位置焊接过程中焊高超标严重，应力集中导致水冷壁管裂纹。对于这一问题，采用更换部分水冷壁管的方式进行处理时，挑选具有资质的焊工进行焊接，严格控制破口角度、对口间隙，对焊口进行预热，焊接顺序，采用手动电弧焊的直流电机反接法进行分层分道焊接，控制焊高，进行焊后热处理。

3、机械应力导致的裂纹

生物质水冷振动炉排锅炉运行中，炉排的振动采用间歇振动方式，炉排水冷壁与四周炉墙水冷壁管密封间隙的变化，容易导致密封处水冷壁管振动过程中承受机械应力作用。

炉排水冷壁管与锅炉水冷壁下集箱连接的柔性管在炉排振动过程中存在一定的形变量，形变量的产生即是因为振动过程中的机械应力作用，容易造成水冷壁管的裂纹。

2019年12月，公司1#锅炉出现一次因柔性管应机械应力导致的裂纹，停炉后进行了修复，将水冷壁裂纹挖去，用角磨机打出坡口，坡口形状呈月牙形，进行焊接修补。

4、水冷壁外侧裂纹处理

锅炉水冷壁向火侧裂纹，一般必须进行停炉检修。而对于锅炉水冷壁外侧裂纹，为最大化保证锅炉长周期运行，减少停炉损失，现在很多电厂采用带压堵漏方式进行处理，即采用“捻缝+焊接”的修复方法对水冷壁外侧裂纹进行修复，利用气动冲击抢或者扁铲从水冷壁裂纹周围向裂纹方向进行挤压，由于水冷壁管金属具有蠕动性能，使得水冷壁管裂纹变小直至不再漏汽，然后进行焊接修复。水冷壁管的带压焊接是一项危险性很高的作业，必须选择焊接技术高超的焊工进行作业，同时进行焊接作业前必须做好相应安全措施，锅炉进行降压降负荷操作，焊接过程不能连续进行，每次焊接时间不能超过三秒，焊后需要等待焊口冷却到正常运行壁温，进行检查后方可再次施焊。

参考文献

[1]杨峰，崔玮，韩福全 锅炉水冷壁管横向裂纹开裂原因分析，《热加工工艺》2011年第5期。

[2]谢广煜，钱建华，张宏彦 锅炉水冷壁带压堵漏技术，《电力科学与工程》2008年8月第24卷第6期。