超临界锅炉水冷壁上集箱管座角焊缝开裂原因及对策

蔡浩 吴道财

摘要：文章对640MW超临界锅炉水冷壁上集箱管座角焊缝开裂原因进行分析，通过应力分析、材质分析等方法，认为机组在频繁调峰和启停过程中集箱与管接座的膨胀差导致管座角焊缝承受过大的弯曲应力而开裂。为防止类似问题的发生，提出了水冷壁上集箱分段改造办法，有效解决了座角焊缝开裂问题。

关键词：水冷壁；管接座裂纹；原因分析；分段改造

1引言

某电厂一期为2×640MW超临界机组，为超临界参数变压运行本生直流锅炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，锅炉型号：HG1950/25.4－YM1。锅炉由哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进三井巴布科克能源公司技术生产。2台机组分别于2006年3月和6月投产。

两台机组于2006年投产以来，累计运行时间已超过10万小时。近年来，发现水冷壁上集箱管座角焊缝频繁出现裂纹现象。2018年2号锅炉节能提效改造中检查发现水冷壁上集箱154处管座角焊缝存在裂纹；2019年2号锅炉C修中检查发现水冷壁上集箱32处管座角焊缝存在裂纹；2020年2号锅炉调停检修中检查发现水冷壁上集箱50处管座角焊缝存在裂纹。为确保机组正常运行，避免开裂情况发生，利用应力分析、温差分析等方法对开裂原因进行具体分析。根据检测结论提出有效的预防措施及改造方案，为避免类似事故的发生提供借鉴。

2缺陷描述

2.1水冷壁上集箱管座角焊缝裂纹

锅炉炉膛由下部螺旋水冷壁和上部垂直水冷壁构成。下部螺旋水冷壁由436根水冷壁管组成，上部垂直水冷壁由1312根水冷壁管组成。螺旋水冷壁和垂直水冷壁均采用全膜式焊接结构，由钢管和扁钢制成。上部垂直水冷壁管规格为Φ31.8×5.5mm，材料为SA-213T12，节距为57.5mm ；鳍片材料为15CrMo，厚度为5mm ；水冷壁上集箱规格为 Φ273×65mm，材料为SA-213P12；前墙、左右侧墙水冷壁上集箱各为一个。图1为水冷壁上集箱管座角焊缝裂纹图片，裂纹均位于水冷壁上集箱四角位置。横向裂纹在管座角焊缝与管子变截面处沿管子周向扩展，长度约5-30mm不等。

图1水冷壁上集箱管座角焊缝裂纹

3原因分析

3.1材料、规格复核

对水冷壁集箱、管座、鳍片尺寸和材质进行复核，情况见表1-2：

表1 尺寸复核

序号	名称	规格	复查结果
1	前墙上集箱	Φ273mm×65mm×22126.5mm	合格
2	左墙上集箱	Φ273mm×65 mm×15249mm	合格
3	右墙上集箱	Φ273mm×65 mm×15249mm	合格
4	垂直水冷壁管	Φ31.8mm×5.5 mm	合格

材质光谱分析见表2：

表2 材质分析 （%）

序号	名称	钢号	Mn	Si	Cr	Mo	分析结果
1	集箱	SA-335 P12 ASTM	0.30-0.61	≤0.50	0.80-1.25	0.44-0.65	合格
2	管排	SA-213T12 ASTM	0.30-0.61	≤0.50	0.80-1.25	0.44-0.65	合格
3	鳍片	15CrMo GB/T5310	0.40-0.70	0.17-0.37	0.80-1.10	0.40-0.55	合格

分析结论：水冷壁集箱、管屏、鳍片材质、尺寸符合设计要求。

3.2应力分析

原设计水冷壁集箱为通长集箱结构，温度变化时，集箱沿膨胀中心向两端膨胀。20-430℃时，集箱的热膨胀系数为：1.38×10-5，水冷壁前墙上集箱最大膨胀量为62.6mm左右，水冷壁侧墙上集箱最大膨胀量为43.14mm左右联箱的胀长，会因管排鳍片固定限制，形成胀差应力，集箱管座承受膨胀差引起的热应力，随着锅炉启停次数的增加和机组负荷大幅度变化，应力集中的角焊缝部位被拉裂。

4处理措施

对水冷壁上集箱进行改造，由整体式改造为分段式，见图2，集箱分割区域的管排采取让管形式与原水冷壁管排进行焊接。1个水冷壁上集箱沿中心线分割为2个小集箱，减少单个集箱的热膨胀量，从而减少集箱管座因膨胀差引起的热应力。

图2 小集箱示意图

5 运行后复查

机组于2020年检修结束投运，经过5月，停炉检查，未见裂纹缺陷，拉裂问题得到解决。

6结语

集箱管座角焊缝裂纹原因为集箱与管排热膨胀导致，在集箱角焊缝处形成胀差应力，随着锅炉启停次数的增加和机组负荷大幅度变化，应力集中的角焊缝部位被拉裂。