某660 MW塔式锅炉水冷壁角部失效分析及优化

沙远超， 韦红旗， 汪 超， 胡善苗

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)

水冷壁是电厂锅炉重要的蒸发受热面之一，水冷壁泄漏是造成电厂非正常停机最常见的原因之一，也是影响电厂安全稳定运行的技术难题[1]。水冷壁裂纹失效的原因主要有管壁超温、化学腐蚀、燃烧方式不当、热负荷变动、结垢堵塞等[2]。

笔者针对某电厂660 MW机组，从刚性梁角部连接装置的结构设计及角部装置中的刀板对水冷壁的作用力方面进行分析探讨和优化改造，以探究如何防止水冷壁管裂纹失效。

1 问题概况

1.1 水冷壁失效情况

该电厂4台660 MW机组锅炉均为超临界参数变压直流炉。锅炉为单炉膛塔式布置，炉膛由膜式水冷壁组成，采用螺旋段加垂直段的布置方式。自运行以来，垂直段水冷壁的四角位置处多次出现水冷壁管裂纹失效。从炉外观察为背火侧纵向裂纹失效，具体位置在水冷壁角部与刚性梁角部连接装置的连接处。4台锅炉水冷壁在不同部位多次出现泄漏，主要原因有异物堵塞造成水冷壁管长期过热、管壁疲劳裂纹扩展、水冷壁管存在原始焊接缺陷、水冷壁管疲劳损坏。

对4台锅炉刀板附近水冷壁失效情况进行观察，得到主要失效部位见图1，刀板端部位置水冷壁裂纹失效见图2。在锅炉水冷壁角部与刀板角部连接位置处的水冷壁管(角部1号管)失效或存在裂纹的情况较多；在刀板端部后的第一根水冷壁管(端部40号管)处也存在裂纹失效，但此处出现裂纹失效的情况较少，主要还是集中在角部1号管附近。

图1 水冷壁管裂纹失效主要位置

图2 刀板端部位置水冷壁裂纹失效

刚性梁角部结构对于水冷壁裂纹失效的影响很大，因此在进行模拟分析之前需要对锅炉的刚性梁系统进行分析。

1.2 刚性梁系统

为防止锅炉在事故工况下因炉膛压力变化造成受热面损坏或永久变形，锅炉刚性梁装置设计所能承受的压力为-5 800～+5 800 Pa。锅炉刚性梁具有提高管墙的刚度、降低炉膛低频振动及传递导向载荷等作用[3]。刚性梁分为垂直刚性梁和水平刚性梁，而水平刚性梁又分为主刚性梁和中间刚性梁，主刚性梁具有角部装置。塔式锅炉刚性梁有部分刚性梁采用不成圈布置，其角部结构为特殊的单角部结构[4]，该厂垂直段水冷壁刚性梁角部结构就采用了该结构。简化的单角部结构见图3。

图3 简化的单角部结构

对角部装置中的刀板重点进行分析，经统计该锅炉水冷壁裂纹失效部位集中在标高为70～78 m的部位处。典型刀板结构见图4。失效部位刀板结构都采用了S1型刀板和N1型刀板，两者通过焊接形成一个L型刀板，焊接在水冷壁管和竖形填块上，其中竖形填块焊接在两根水冷壁管之间，不与水冷壁鳍片焊接。

图4 典型刀板结构

2 水冷壁裂纹失效分析

当锅炉炉膛内部处于正压或负压时，水冷壁会相应地向外膨胀或向内收缩，水冷壁外部的刚性梁起到加固作用，可以吸收水冷壁膨胀力，防止水冷壁变形。主刚性梁角部结构将垂直刚性梁传递的压力荷载通过两端的角部装置传递到刀板上。当炉膛内部压力为正压时，水冷壁向外膨胀，中间刚性梁受到向外的推力，垂直刚性梁将力传递到主刚性梁，主刚性梁又将力传至刀板，因此刀板会受到向外的拉力。当炉膛内部压力为负压时，刀板会受到向内的压力。刀板受力会传递给水冷壁。因此，从水冷壁角部与刀板的连接部位结构设计的合理性，以及刚性梁对水冷壁作用力的方面着手，采用ANSYS Workbench软件分析水冷壁裂纹失效的原因。

2.1 几何模型

在确定研究对象后，首先要对水冷壁部分进行几何建模。刚性梁角部刀板几何模型和水冷壁管编号见图5。该墙面为左侧墙，角部第一根管为1号管，与刀板末端相连的管为40号管，依次序排列，另一面墙(前墙)排序同左侧墙，两面墙共计87根水冷壁管。由于垂直段水冷壁管排数很多，难以实现所有的管排按1∶1进行建模，因此选取垂直段水冷壁在某一高度区间上的1/4模型，并适当减少管排数，但完整保留角部的刀板与竖形填块等重要部分。水冷壁模型选取垂直段水冷壁下部(高度为67～81 m)的某一段，按照设计值取水冷壁管外径为35 mm、厚度为7 mm，水冷壁管间距为55 mm，水冷壁管排高度取600 mm，刀板为S1型和N1型的组合。

图5 刚性梁角部刀板几何模型和水冷壁管编号

2.2 边界条件

2.2.1 受力情况和约束分析

刀板受力主要来自于主刚性梁，因此需要首先估算主刚性梁上的受力。计算方法以70～79 m段刚性梁为例，刚性梁分布见图6。3根主刚性梁自顶向下分别为1号、2号、3号，炉墙受力面近似为平面，2号主刚性梁受力等效面积为1号与3号主刚性梁之间面积的一半。由于主刚性梁两端各有一个角部装置，因此每个角部装置的受力为主刚性梁受力的一半。取炉内压力为设计承压最大值(5 800 Pa)，每个刚性梁端部的刀板受力载荷设计值为140 kN。

图6 刚性梁分布

模拟不考虑刀板及水冷壁的自重，针对2种工况进行分析，其中：工况1是炉膛极端压力为+5 800 Pa(正压)、刀板受拉力载荷为140 kN的情况；工况2是炉膛极端压力为-5 800 Pa(负压)、刀板受压力载荷为140 kN的情况。

对于水冷壁的约束条件，考虑约束水冷壁的膨胀中心位置，膨胀中心设置在锅炉的对称中心，由于模型减少了管排数，因此取前墙和左侧墙的末端位置为膨胀中心(即44号管)。同时，考虑到水冷壁角部位置对管排有限位作用，因此除了约束膨胀中心外，对角部1号管也加以约束。

2.2.2 材料设置

水冷壁管材料为12Cr1MoVG；水冷壁鳍片、竖形填块及刀板属于钢板，材料均为15CrMo。2种材料的热物理性质见表1[5]。按照电厂某运行参数，模型所在的垂直段水冷壁壁温取300 ℃，材料的物性参数取对应温度下的参数。

表1 2种材料的热物理性质

2.3 网格划分

网格划分采用Workbench Mesh模块自动对模型进行六面体网格划分，总网格数为73 384，最终模型的网格见图7。边界条件设置完成后，对炉内极端正压和极端负压工况进行模拟。

图7 模型网格结构的划分

2.4 模拟结果

对原模型的2种工况进行模拟验证，原结构工况1的模拟结果见图8。

图8 原结构工况1的模拟结果

由图8可得：水冷壁模型的应力最大位置始终在1号管与刀板的焊接处，最大值为421 MPa，远远高于许用应力。工况2的模拟结果与工况1相似，应力集中区域不变，仍然在1号管和40号管附近，1号管所受应力最大，最大值为408 MPa，后续统一在工况1下进行模拟分析。

水冷壁管材料在该温度下的许用应力为151 MPa，水冷壁管部分区域高于允许应力，应力最大位置与现场情况很接近，模拟结果得到了验证。

综合刀板结构处水冷壁应力计算结果，可以得出：40号管、1号管附近均存在较大的设计应力，但实际运行工况中压力波动远小于设计值，故实际应力比计算值小。金属的疲劳寿命与受力直接相关，而刀板处水冷壁受力又与局部负压波动相关，因此优化方案应从减小设计应力延长金属疲劳寿命，以及控制局部压力波动的方面入手，故从减小设计应力这一方面提出相应的优化措施。

3 优化方案分析

3.1 优化方案模拟结果

为了解决设计应力过大的问题，需要同时解决1号管与40号管存在的应力集中问题。解决思路是通过在应力集中部位增加能够分散应力的肋板，或者将应力集中的部分割断，以达到减小应力的效果。2种工况下应力分布和应力最大值相差不大，因此优化方案统一按工况1进行，即刀板受拉力载荷作用。同时，模拟分析的重点是水冷壁管，因此采用优化方案后，将重点分析水冷壁管的应力分布，而不再分析水冷壁鳍片与刀板部分的应力分布。通过多次数值模拟计算后，在多种优化方案种选出2种最有效的优化方案进行分析及对比。

3.1.1 优化方案1

优化方案1为：对于应力集中区域1号管附近和40号管附近，通过增设肋板的方式将水冷壁管保护起来，避免水冷壁管与刀板直接焊接，增设的肋板首先焊接在水冷壁鳍片上，然后再将刀板与肋板焊接。优化方案1的几何模型见图9。

图9 优化方案1的几何模型

采用优化方案1的模拟结果见图10。

图10 采用优化方案1的模拟结果

由图10可得：1号管与40号管附近应力明显降低，原本集中在1号管和40号管两根水冷壁管的应力通过肋板结构很好地被分散给周围的水冷壁管，整个模型最大应力为66 MPa。优化后的最大应力无论是与原模型最大应力还是和许用应力相比，都有明显的降低。因此，可以认为采用合理的肋板结构有助于改善应力集中问题，能够有效降低水冷壁管失效部位的应力，保护水冷壁管安全运行。

3.1.2 优化方案2

优化方案1施加肋板的方法虽然有效果，但是现场施工可能存在不便，因此优化方案2将1号管附近的肋板结构替换成尺寸更小的护瓦结构，护瓦紧贴着水冷壁管，但是并不与水冷壁管焊接，仅在护瓦两边与水冷壁鳍片相焊。因此，在模拟的接触设置中将护瓦内表面和管子的接触面设置为摩擦约束，摩擦因数取0.5。在40号管附近，没有类似1号管处的转角结构，施工相对方便，因此采用模拟效果较好的肋板设计。优化方案2的几何模型见图11。

图11 优化方案2的几何模型

采用优化方案2的模拟结果见图12。

图12 采用优化方案2的模拟结果

由图12可得：1号管采用护瓦结构和40号管采用肋板结构的组合，使水冷壁管整体的应力分布都有所下降，最大应力位置在1号管，最大应力为83 MPa。与原结构相比，1号管附近应力明显下降，可以作为有效方案。

3.2 优化方案对比

2种优化方案的对比见表2。由表2可得：采用2种优化方案后，最大应力均小于许用应力。2种优化方案都能够减小应力，保证水冷壁在设计的极端压力情况下也能安全运行，并且优化方案1的效果较明显。

表2 2种优化方案的对比

对计算结果进行对比和分析，同时结合现场施工的可行性，针对刀板端部水冷壁管(40号管)附近的应力集中问题，可以通过增设相应的肋板，有效降低水冷壁管所受应力；而针对刀板角部水冷壁管(1号管)附近的应力集中问题，建议先将其与刀板结合部位割开，增设肋板或护瓦，进一步降低应力。水冷壁管应力降低后，可大大延长金属部件的疲劳寿命，解决刀板结构处水冷壁失效问题。

4 结语

笔者运用ANSYS Workbench软件分析了某电厂660 MW机组锅炉水冷壁角部与刚性梁刀板连接处裂纹失效的原因，并且验证了数值模拟的准确性，同时对水冷壁角部的刚性梁刀板结构进行优化改造，得到的结论为：

(1) 刚性梁角部连接装置结构设计不合理，主要体现在水冷壁角部与刚性梁角部装置中的刀板相互连接处，个别水冷壁管出现应力集中，造成水冷壁管出现裂纹失效现象，使锅炉在运行过程中存在一定的安全隐患。

(2) 根据数值模拟的计算结果，提出了在主要失效部位采用肋板、护瓦等结构替代现有的竖形填块的方法。该方法能够有效解决现存的应力集中现象，使水冷壁管所受应力减小，保护水冷壁管不被破坏，从而解决目前刀板结构处水冷壁裂纹失效等问题。