锅炉水冷壁横向裂纹失效机理分析

锅炉水冷壁横向裂纹失效机理分析

　锅炉水冷壁横向裂纹的机理在国内，多种锅炉均存在水冷壁横向裂纹失效问题；美国超临界锅炉大部分也存在该问题。水冷壁横向裂纹主要发生在热负荷最高区域水冷壁向火侧管壁。目前对水冷壁横向裂纹失效机理和关键因素的研究尚不成熟。

　　SG1000锅炉为上海锅炉厂生产的亚临界压力、UP型直流锅炉，自70年代投入使用，水冷壁一直存在横向裂纹泄漏问题。HG2008锅炉系哈尔滨锅炉厂引进美国CE公司技术生产的亚临界压力、控制循环锅炉，该炉水冷壁也存在横向裂纹泄漏问题，造成机组被迫停机。

　　为解决锅炉水冷壁泄漏问题，美国EPRI经过3年大量的试验研究，认为水冷壁金属管壁的壁温峰值是导致水冷壁横向裂纹失效的关键因素。裂纹的产生和化学监控也有着密切的关系。国内针对SG1000锅炉和HG2008锅炉水冷壁横向裂纹失效也进行了大量的研究，包括金相分析、水冷壁壁温、流量测量试验等，但是，对水冷壁炉管应力的分析较少。本文通过炉管应力分析，探讨水冷壁横向裂纹失效的机理和主要原因。

　　1锅炉特点燃烧器为直流燃烧器。水冷壁采用一次上升、中间两次混合的小管径膜式水冷壁，管径为刘勇，男。毕业于清华大学。硕士。副教授。动力系。430072￠22X5.5mm，节距为35mm，炉膛沿高度方向分上辐射、中辐射、下辐射3部分。上辐射为鳍片管，中、下辐射为四头内螺纹管。

　　HG2008锅炉采用单炉膛，宽深比为1.28：1，锅炉燃烧方式为四角布置双切圆燃烧，燃烧器为正四角布置的摆动式直流燃烧器。锅炉采用炉水循环泵和内螺纹管的强制循环系统。在炉膛高热负荷区域内采用内螺纹管水冷壁，防止系统内发生传热恶化。水冷壁设计管2水冷壁横向裂纹特点HG2008锅炉水冷壁横向裂纹均发生在左、右水冷壁中间区域燃烧器及其以上高度至壁式再热器遮盖区以下的内螺纹管，该区域热负荷较大。水冷壁横向裂纹具有如下特点：泄漏处裂纹均在向火侧，有大量垂直于管子轴线方向密集的相互平行的直线型丛状裂纹，断口有海滩花样，裂纹管段己发生蠕变变形。这种裂纹是由于受到交变热应力而引起的疲劳裂纹，即热疲劳裂纹。水冷壁横向裂纹主要由水侧产生并向外扩展，在裂穿的主裂纹附近管子内壁还有大量的细小裂纹。裂纹内充满了灰色腐蚀产物，且有Ca、CUMg、Cu等元素的存在，说明在裂纹的扩展中伴随有明显的氧化和腐蚀现象。

　　SG1000锅炉水冷壁横向裂纹多出现在靠近中辐射区出口的管屏拼缝处及交叉管处，下辐射区的横向裂纹多出现在燃烧器上方部分受热较强的管子。水冷壁横向裂纹多从鳍片起裂并向炉管向火扩展，管子内壁还有大量的细小横向裂纹。

　　3锅炉水冷壁壁温测量结果SG1000锅炉在发生横向裂纹处，管子向火侧外壁管壁温度一般在500°C左右波动，其波动幅度为±50°C，正常管子向火侧外壁管壁温度则在400°C左右，在一定的范围内波动管和正常管壁温具有相同的升降趋势，当壁温低于这一范围后，正常管壁温将保持不变。运行工况对管壁温度的波动有很大影响，较大的工质流速有利于减小壁温波动。

　　HG2008锅炉水冷壁壁温测量结果表明：管子向火侧外壁测点壁温稳定时，温度仅随机变化12‘C；有些测点在某些工况壁温发生波动，波动幅度最高可达6080波动周期有的长达十几分钟或更长，而短的只有13min，波形均为锯齿形，温度先快速上升至最高，而后相对缓慢地逐步下降至最低。负荷对壁温有显著的影响，其它因素（如流量、燃烧器摆角、高加投停等）影响较小。

　　4水冷壁管壁应力分析4.1内压力造成的机械应力筒壁的弹性计算（不考虑鳍片的影响，管内压力为P）结果如下：轴向应力环向应力径向应力内壁1.67/，外壁内壁-尸，67尸。平均外壁0.0内壁4.2/.外壁内壁3.2八平均3.64尸外壁0.0 4.2温度梯度造成的热应力热应力物性方程为：aa-p（￡70r+￡7rr）=E 4.3总应力――轴向总应力：<7zp―轴向热应力和机械应力；iT-179p环向热应力和机械应力；rr，°rv径向热应力和机械应力；fzp――轴向热应力和机械应力产生的应变；a――材料的膨胀系数；E―弹性系数；t温度。

　　在内、外壁处〃为零，故内、外壁处轴炉管只能随着膜式水冷壁整体膨胀，各根炉管具有相同的轴向变形10'=0.33，可得其轴向应力：忽略环向热应力的影响，炉管内压力取20MPa，则内、外壁处轴向应力￠=-2.53（/-409.5）MPa.锅炉运行时膜式水冷壁壁温分布：向火侧温度篼于背火侧，温度最高点在向火侧外侧管壁或鳍片中点：热负荷大的炉管平均壁温高，热负荷小的炉管平均壁温低。

　　HG2008锅炉水冷壁壁温测量表明，管子向火侧外壁测点壁温均大于409C，其炉管向火侧管壁轴向应力均为压应力，管子向火侧外壁测点壁温发生波动，壁温可达500r以上，炉管向火侧管壁承受很大的轴向压应力。

　　SG1000锅炉在发生横向裂纹处，管子向火侧外壁管壁温度一般在500°C左右波动，其管壁温度幅度更高，炉管向火侧管壁承受更大的轴向压应力。

　　锅炉熄火冷却时膜式水冷壁壁温分布：向火侧温度低于背火侧，温度最低点在向火侧外侧管壁或鳍片中点，通风强制冷却则向火侧炉管壁温更低。此时，炉管向火侧管壁承受较大的轴向拉应力。

　　5横向裂纹机理分析锅炉运行时水冷壁炉管向火侧内、外壁应力分布特点是环向应力为拉应力轴向应力及径向应力均为压应力，且一般情况下有a如材料的屈服应力为230MPa，则rD>467 C时，发生塑性变形。

　　失效机理分析：锅炉运行时水冷壁炉管向火侧壁温高，由于炉管向火侧、背火侧壁温差大，炉管不能自由膨胀，在向火侧产生过大的轴向压应力，发生较大的塑性变形（割管后炉管严重内弯）。锅炉熄火后水冷壁炉管向火侧壁温低于平均温度，残余塑性变形均使向火侧产生轴向拉应力，故水冷壁炉管向火侧存在较大的交变应力。当管壁存在应力集中时。可能使局部区域产生热应力棘轮，发生热疲劳破坏。

　　向火侧壁温波动时，存在冲击性热疲劳。

　　壁温波动峰值时产生的热应力超过材料的屈服应力而产生塑性变形。在循环次数较多时，发生低周疲劳破坏（塑性疲劳）。割管时产生的内弯现象表明向火侧存在较大轴向塑性变形和残余应力。在失效机理中低周热疲劳是造成裂纹横向生成的根本因素。

　　6结论锅炉运行时，水冷壁局部炉管向火侧壁温过高，由于炉管不能自由膨胀，在向火侧过大的轴向压应力导致塑性变形。锅炉熄火后水冷壁炉管向火侧壁温低于平均温度，在向火侧产生轴向拉应力。锅炉启、停产生交变应力。

　　局部炉管向火侧壁温太高或存在应力集中时，塑性变形很大，产生热应力棘轮，发生热疲劳破坏。壁温波动时，向火侧温度变化大，使向火侧壁温峰值加大，更易发生热疲劳破坏。

　　水冷壁横向裂纹是由于水冷壁局部炉管向火侧壁温峰值过高造成的。

　　7讨论根据水冷壁横向裂纹失效机理可分析各种因素对水冷壁横向裂纹失效的影响，问题的关键是水冷壁局部炉管向火侧壁温峰值。

　　水冷壁热负荷大使向火侧管壁温度升高，管内结垢多，腐蚀大。结垢多在长期运行后也使向火侧管壁温度升高。

　　壁温波动时，向火侧温度变化大，使向火侧壁温峰值加大，造成热冲击，更易发生热疲劳破坏。

　　炉水工况、锅炉水质差，结垢快，腐蚀大。结垢使向火侧温度高，腐蚀会产生应力集中点和裂纹源。