鍋爐水冷壁橫向裂紋失效機理分析

　鍋爐水冷壁橫向裂紋的機理在國內，多種鍋爐均存在水冷壁橫向裂紋失效問題；美國超臨界鍋爐大部分也存在該問題。水冷壁橫向裂紋主要發生在熱負荷最高區域水冷壁向火側管壁。目前對水冷壁橫向裂紋失效機理和關鍵因素的研究尚不成熟。

　　SG1000鍋爐為上海鍋爐廠生產的亞臨界壓力、UP型直流鍋爐，自70年代投入使用，水冷壁一直存在橫向裂紋泄漏問題。HG2008鍋爐系哈爾濱鍋爐廠引進美國CE公司技術生產的亞臨界壓力、控制循環鍋爐，該爐水冷壁也存在橫向裂紋泄漏問題，造成機組被迫停機。

　　為解決鍋爐水冷壁泄漏問題，美國EPRI經過3年大量的試驗研究，認為水冷壁金屬管壁的壁溫峰值是導致水冷壁橫向裂紋失效的關鍵因素。裂紋的產生和化學監控也有著密切的關系。國內針對SG1000鍋爐和HG2008鍋爐水冷壁橫向裂紋失效也進行了大量的研究，包括金相分析、水冷壁壁溫、流量測量試驗等，但是，對水冷壁爐管應力的分析較少。本文通過爐管應力分析，探討水冷壁橫向裂紋失效的機理和主要原因。

　　1鍋爐特點燃燒器為直流燃燒器。水冷壁采用一次上升、中間兩次混合的小管徑膜式水冷壁，管徑為劉勇，男。畢業于清華大學。碩士。副教授。動力系。430072￠22X5.5mm，節距為35mm，爐膛沿高度方向分上輻射、中輻射、下輻射3部分。上輻射為鰭片管，中、下輻射為四頭內螺紋管。

　　HG2008鍋爐采用單爐膛，寬深比為1.28：1，鍋爐燃燒方式為四角布置雙切圓燃燒，燃燒器為正四角布置的擺動式直流燃燒器。鍋爐采用爐水循環泵和內螺紋管的強制循環系統。在爐膛高熱負荷區域內采用內螺紋管水冷壁，防止系統內發生傳熱惡化。水冷壁設計管2水冷壁橫向裂紋特點HG2008鍋爐水冷壁橫向裂紋均發生在左、右水冷壁中間區域燃燒器及其以上高度至壁式再熱器遮蓋區以下的內螺紋管，該區域熱負荷較大。水冷壁橫向裂紋具有如下特點：泄漏處裂紋均在向火側，有大量垂直于管子軸線方向密集的相互平行的直線型叢狀裂紋，斷口有海灘花樣，裂紋管段己發生蠕變變形。這種裂紋是由于受到交變熱應力而引起的疲勞裂紋，即熱疲勞裂紋。水冷壁橫向裂紋主要由水側產生并向外擴展，在裂穿的主裂紋附近管子內壁還有大量的細小裂紋。裂紋內充滿了灰色腐蝕產物，且有Ca、CUMg、Cu等元素的存在，說明在裂紋的擴展中伴隨有明顯的氧化和腐蝕現象。

　　SG1000鍋爐水冷壁橫向裂紋多出現在靠近中輻射區出口的管屏拼縫處及交叉管處，下輻射區的橫向裂紋多出現在燃燒器上方部分受熱較強的管子。水冷壁橫向裂紋多從鰭片起裂并向爐管向火擴展，管子內壁還有大量的細小橫向裂紋。

　　3鍋爐水冷壁壁溫測量結果SG1000鍋爐在發生橫向裂紋處，管子向火側外壁管壁溫度一般在500°C左右波動，其波動幅度為±50°C，正常管子向火側外壁管壁溫度則在400°C左右，在一定的范圍內波動管和正常管壁溫具有相同的升降趨勢，當壁溫低于這一范圍后，正常管壁溫將保持不變。運行工況對管壁溫度的波動有很大影響，較大的工質流速有利于減小壁溫波動。

　　HG2008鍋爐水冷壁壁溫測量結果表明：管子向火側外壁測點壁溫穩定時，溫度僅隨機變化12‘C；有些測點在某些工況壁溫發生波動，波動幅度最高可達6080波動周期有的長達十幾分鐘或更長，而短的只有13min，波形均為鋸齒形，溫度先快速上升至最高，而后相對緩慢地逐步下降至最低。負荷對壁溫有顯著的影響，其它因素（如流量、燃燒器擺角、高加投停等）影響較小。

　　4水冷壁管壁應力分析4.1內壓力造成的機械應力筒壁的彈性計算（不考慮鰭片的影響，管內壓力為P）結果如下：軸向應力環向應力徑向應力內壁1.67/，外壁內壁-尸，67尸。平均外壁0.0內壁4.2/.外壁內壁3.2八平均3.64尸外壁0.0 4.2溫度梯度造成的熱應力熱應力物性方程為：aa-p（￡70r+￡7rr）=E 4.3總應力――軸向總應力：<7zp―軸向熱應力和機械應力；iT-179p環向熱應力和機械應力；rr，°rv徑向熱應力和機械應力；fzp――軸向熱應力和機械應力產生的應變；a――材料的膨脹系數；E―彈性系數；t溫度。

　　在內、外壁處〃為零，故內、外壁處軸爐管只能隨著膜式水冷壁整體膨脹，各根爐管具有相同的軸向變形10'=0.33，可得其軸向應力：忽略環向熱應力的影響，爐管內壓力取20MPa，則內、外壁處軸向應力￠=-2.53（/-409.5）MPa.鍋爐運行時膜式水冷壁壁溫分布：向火側溫度篼于背火側，溫度最高點在向火側外側管壁或鰭片中點：熱負荷大的爐管平均壁溫高，熱負荷小的爐管平均壁溫低。

　　HG2008鍋爐水冷壁壁溫測量表明，管子向火側外壁測點壁溫均大于409C，其爐管向火側管壁軸向應力均為壓應力，管子向火側外壁測點壁溫發生波動，壁溫可達500r以上，爐管向火側管壁承受很大的軸向壓應力。

　　SG1000鍋爐在發生橫向裂紋處，管子向火側外壁管壁溫度一般在500°C左右波動，其管壁溫度幅度更高，爐管向火側管壁承受更大的軸向壓應力。

　　鍋爐熄火冷卻時膜式水冷壁壁溫分布：向火側溫度低于背火側，溫度最低點在向火側外側管壁或鰭片中點，通風強制冷卻則向火側爐管壁溫更低。此時，爐管向火側管壁承受較大的軸向拉應力。

　　5橫向裂紋機理分析鍋爐運行時水冷壁爐管向火側內、外壁應力分布特點是環向應力為拉應力軸向應力及徑向應力均為壓應力，且一般情況下有a如材料的屈服應力為230MPa，則rD>467 C時，發生塑性變形。

　　失效機理分析：鍋爐運行時水冷壁爐管向火側壁溫高，由于爐管向火側、背火側壁溫差大，爐管不能自由膨脹，在向火側產生過大的軸向壓應力，發生較大的塑性變形（割管后爐管嚴重內彎）。鍋爐熄火后水冷壁爐管向火側壁溫低于平均溫度，殘余塑性變形均使向火側產生軸向拉應力，故水冷壁爐管向火側存在較大的交變應力。當管壁存在應力集中時。可能使局部區域產生熱應力棘輪，發生熱疲勞破壞。

　　向火側壁溫波動時，存在沖擊性熱疲勞。

　　壁溫波動峰值時產生的熱應力超過材料的屈服應力而產生塑性變形。在循環次數較多時，發生低周疲勞破壞（塑性疲勞）。割管時產生的內彎現象表明向火側存在較大軸向塑性變形和殘余應力。在失效機理中低周熱疲勞是造成裂紋橫向生成的根本因素。

　　6結論鍋爐運行時，水冷壁局部爐管向火側壁溫過高，由于爐管不能自由膨脹，在向火側過大的軸向壓應力導致塑性變形。鍋爐熄火后水冷壁爐管向火側壁溫低于平均溫度，在向火側產生軸向拉應力。鍋爐啟、停產生交變應力。

　　局部爐管向火側壁溫太高或存在應力集中時，塑性變形很大，產生熱應力棘輪，發生熱疲勞破壞。壁溫波動時，向火側溫度變化大，使向火側壁溫峰值加大，更易發生熱疲勞破壞。

　　水冷壁橫向裂紋是由于水冷壁局部爐管向火側壁溫峰值過高造成的。

　　7討論根據水冷壁橫向裂紋失效機理可分析各種因素對水冷壁橫向裂紋失效的影響，問題的關鍵是水冷壁局部爐管向火側壁溫峰值。

　　水冷壁熱負荷大使向火側管壁溫度升高，管內結垢多，腐蝕大。結垢多在長期運行后也使向火側管壁溫度升高。

　　壁溫波動時，向火側溫度變化大，使向火側壁溫峰值加大，造成熱沖擊，更易發生熱疲勞破壞。

　　爐水工況、鍋爐水質差，結垢快，腐蝕大。結垢使向火側溫度高，腐蝕會產生應力集中點和裂紋源。