王金瀠

（國(guó)投云頂湄洲灣電力有限公司 莆田 351100）

水冷壁是電站鍋爐的主要受熱面，一般采用膜式水冷壁，主要作用是吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量。一旦水冷壁鰭片有開裂情況，會(huì)導(dǎo)致爐膛熱量損失，并破壞爐墻連續(xù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)鰭片裂紋繼續(xù)擴(kuò)展至水冷壁母管，會(huì)導(dǎo)致水冷壁蒸汽泄漏，是導(dǎo)致鍋爐非計(jì)劃停運(yùn)的主要因素之一，給鍋爐的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。

1 前墻水冷壁鰭片開裂

筆得單位的2 臺(tái)超超臨界鍋爐為π 型鍋爐，于2018年投入運(yùn)行。在2021年機(jī)組檢修時(shí)，均發(fā)現(xiàn)前墻水冷壁向爐內(nèi)凹陷，凹陷部位鰭片開裂，鰭片裂紋從前墻水冷壁上集箱至中間集箱附近，見圖1，并且發(fā)生多次因鰭片裂紋擴(kuò)展至母管而導(dǎo)致的蒸汽泄漏事件，見圖2[2]。

圖1 前墻垂直水冷壁鰭片開裂

2 原因分析

2.1 理論設(shè)計(jì)

上海鍋爐廠原設(shè)計(jì)水冷壁管與內(nèi)綁帶分別在鍋爐中心（膨脹死點(diǎn)）、爐左角部、爐右角部焊接固定，其余位置采用插銷固定，使內(nèi)綁帶和水冷壁貼合，保證水冷壁屏有水平鋼性，如圖3～圖5所示。鍋爐熱態(tài)時(shí)，水冷壁由鍋爐中點(diǎn)分別向左右膨脹，內(nèi)綁帶中點(diǎn)和兩端都與水冷壁為焊接固定，將一同和水冷壁向左右膨脹[3]。

圖3 內(nèi)綁帶膨脹死點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

圖4 水冷壁內(nèi)綁帶中部結(jié)構(gòu)圖

圖5 水冷壁內(nèi)綁帶角部結(jié)構(gòu)圖

2.2 安裝缺陷

拆除前墻水冷壁保溫檢查，發(fā)現(xiàn)多處安裝缺陷：1）內(nèi)綁帶與外護(hù)板連接的部分滑塊卡死變形，見圖6；2）鰭片開裂處，水冷壁與內(nèi)綁帶固定插銷基建時(shí)已被切割一半，見圖7；3）有一處內(nèi)綁帶與水冷壁角部固定焊縫開裂，見圖8；4）前墻水冷壁只有第2 層、第3 層、第10 層剛性梁進(jìn)行了膨脹死點(diǎn)焊接，其他8層剛性梁都未進(jìn)行焊接。

圖6 內(nèi)綁帶與外護(hù)板連接的滑塊卡死變形

圖7 水冷壁與內(nèi)綁帶固定插銷被切割一半

2.3 綜合分析

百萬(wàn)π 型爐前墻垂直段水冷壁的寬度約34～35 m，大跨度的水冷壁加之爐膛溫度高，鍋爐不可避免地產(chǎn)生運(yùn)行應(yīng)力，如圖9所示。正常情況下，產(chǎn)生的應(yīng)力需通過(guò)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行釋放，因此在水冷壁剛性梁、懸吊結(jié)構(gòu)上考慮了預(yù)偏、安裝間隙、插銷等措施。

前墻水冷壁在實(shí)際運(yùn)行中，水冷壁左右膨脹時(shí)，內(nèi)綁帶位于水冷壁外側(cè)，溫度和水冷壁有差異，因此膨脹量不同；由于安裝缺陷導(dǎo)致內(nèi)綁帶與外部鋼梁連接的滑塊卡死變形，限制了內(nèi)綁帶的膨脹，內(nèi)綁帶從而限制了水冷壁的左右膨脹，水冷壁只能向爐內(nèi)膨脹，最終導(dǎo)致鰭片開裂，被切割成一半的固定插銷強(qiáng)度不足，不能將水冷壁與內(nèi)綁帶固定住，也導(dǎo)致水冷壁容易向爐內(nèi)凹陷，如圖10、圖11所示。此外部分水冷壁剛性梁中部膨脹死點(diǎn)未焊接，導(dǎo)致水冷壁無(wú)法均勻地向左右兩側(cè)膨脹[4]。

圖10 水冷壁與內(nèi)綁帶滑動(dòng)系統(tǒng)示意圖

圖11 水冷壁與內(nèi)綁帶滑動(dòng)受阻導(dǎo)致鰭片開裂

3 整治方案

3.1 安裝缺陷整改

●3.1.1 膨脹零點(diǎn)漏焊接

將前墻垂直水冷壁膨脹零點(diǎn)恢復(fù)設(shè)計(jì)狀態(tài)，即第2 層、第3 層、第10 層剛性梁采用預(yù)埋件方式進(jìn)行膨脹零點(diǎn)焊接，其他8 層采用梳形板方式進(jìn)行膨脹零點(diǎn)焊接。

●3.1.2 滑動(dòng)向?qū)О惭b缺陷

由于墻面不平整或得安裝時(shí)沒(méi)有按照剛性梁間隙要求進(jìn)行安裝甚至部分焊死，導(dǎo)向裝置預(yù)留膨脹間隙不足，導(dǎo)致膨脹受阻，如圖12所示。

圖12 滑動(dòng)導(dǎo)向裝置安裝圖

3.2 剛性梁優(yōu)化

對(duì)于π 型鍋爐，剛性梁采用的是內(nèi)綁帶結(jié)構(gòu)，其端部為梳形板結(jié)構(gòu)，中部與兩端均與水冷壁焊接，與水冷壁同步膨脹。實(shí)際運(yùn)行中由于各種原因兩得之間存在溫度梯度差，膨脹量不一樣。為使水冷壁管墻膨脹更加順暢，可以將水冷壁內(nèi)綁帶兩端焊縫切除，對(duì)端部梳形板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，更改為卡板結(jié)構(gòu)，采用滑動(dòng)連接，如圖13所示。

圖13 將內(nèi)綁帶兩端與水冷壁的焊接死點(diǎn)去除，采用滑動(dòng)連接

4 效果驗(yàn)證

4.1 水冷壁膨脹情況

在前墻水冷壁10 層和8 層半左右側(cè)安裝膨脹指示器，機(jī)組負(fù)荷900 MW 時(shí)檢查膨脹情況：左側(cè)水冷壁向左側(cè)膨脹約67 mm，右側(cè)水冷壁向右側(cè)膨脹約69 mm，左右側(cè)膨脹量大致一樣，見圖14、圖15。

圖15 水冷壁右側(cè)指示器

4.2 水冷壁與內(nèi)綁帶膨脹差異

在水冷壁左右側(cè)分別設(shè)置了2 個(gè)簡(jiǎn)易指示器，一個(gè)與水冷壁連接，一個(gè)與內(nèi)綁帶連接，在現(xiàn)場(chǎng)安裝攝像頭觀察指示器變化情況。鍋爐在冷態(tài)時(shí)2 個(gè)指示器均指著零點(diǎn)，隨著鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)，水冷壁溫度上升，水冷壁與內(nèi)綁帶開始向左右側(cè)膨脹。但此時(shí)水冷壁膨脹速度大于內(nèi)綁帶膨脹速度，隨著鍋爐運(yùn)行趨于穩(wěn)定，最終水冷壁和內(nèi)綁帶的溫度相近，2 個(gè)指示器又指向同一位置，見圖16～圖18。

圖16 鍋爐冷態(tài)階段（2 個(gè)指示器指向零點(diǎn)）

圖17 鍋爐啟動(dòng)階段（2 個(gè)指示器開始指向不一致）

圖18 鍋爐穩(wěn)定階段（2 個(gè)指示器基本指向相同）

說(shuō)明鍋爐在啟動(dòng)階段，內(nèi)綁帶位于水冷壁外側(cè)，溫度和水冷壁有差異，因此膨脹量不同。如果內(nèi)綁帶與水冷壁的左右側(cè)焊接固定，在整個(gè)鍋爐啟動(dòng)膨脹過(guò)程中，內(nèi)綁帶限制了水冷壁的左右膨脹，導(dǎo)致水冷壁管屏存在熱膨脹應(yīng)力。此次檢修將內(nèi)綁帶與水冷壁左右焊接死點(diǎn)去除，有利于水冷壁在啟動(dòng)過(guò)程中的自由膨脹。

2022年對(duì)2 臺(tái)鍋爐檢修時(shí)，對(duì)原鰭片開裂位置進(jìn)行拆保溫檢查，均未發(fā)現(xiàn)鰭片再次開裂情況，說(shuō)明針對(duì)水冷壁鰭片開裂的整治方案達(dá)到了預(yù)想的效果，如圖19所示。

5 對(duì)應(yīng)措施

針對(duì)寬爐膛設(shè)計(jì)的水冷壁，鍋爐設(shè)置膨脹中心，通過(guò)水平和垂直方向的導(dǎo)向與約束，實(shí)現(xiàn)以鍋爐某一高度為中心的三維膨脹，并防止?fàn)t頂、爐墻開裂和受熱面變形。每面墻的每層剛性梁水平上均設(shè)有膨脹中心，剛性梁兩端與鍋爐水冷壁間設(shè)計(jì)成可相互安全滑動(dòng)，使鍋爐膨脹不會(huì)在水冷壁鰭片上產(chǎn)生額外熱應(yīng)力，如圖20所示[5]。

圖20 鍋爐剛性梁布置圖

然而在鍋爐實(shí)際安裝過(guò)程中，安裝工藝常常達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而且還會(huì)產(chǎn)生新的安裝缺陷，導(dǎo)致水冷壁在熱膨脹過(guò)程中受阻，從而發(fā)生鰭片開裂。因此在檢修期間應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性檢查：

1）檢查剛性梁及附件安裝質(zhì)量，對(duì)前墻上爐膛水冷壁剛性梁卡澀變形的部位進(jìn)行疏導(dǎo)，有效防止張力板耳板膨脹受阻，減少因剛性梁附件卡澀導(dǎo)致水冷壁膨脹不均勻而開裂的情況。

2）檢查調(diào)整外護(hù)板固定板與剛性梁定位塊預(yù)留間隙，凡是發(fā)現(xiàn)保溫外護(hù)板固定板與剛性梁定位塊預(yù)留間隙不足的，進(jìn)行逐一調(diào)整。

3）檢查剛性梁角部鉸鏈裝置，觀察角部裝置的膨脹是否與設(shè)計(jì)一致，對(duì)于膨脹偏差較大位置需要拆開保溫，檢查內(nèi)部支座是否變形，卡板間隙是否滿足要求，水平梁是否未保證水平。

4）排查調(diào)整導(dǎo)向裝置膨脹間隙是否預(yù)留不足；排查鍋爐垂直段前墻與左、右側(cè)墻膨脹死點(diǎn)是否焊接；排查鍋爐垂直段左、右側(cè)墻和前墻的內(nèi)綁帶定位銷是否安裝；定期對(duì)鍋爐本體導(dǎo)向裝置添加潤(rùn)滑脂，保證滑動(dòng)部位無(wú)銹蝕。

6 結(jié)束語(yǔ)

超超臨界π 型鍋爐都是寬爐膛設(shè)計(jì)，水冷壁必然會(huì)存在熱膨脹應(yīng)力。為了控制水冷壁鰭片應(yīng)力不超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，需要從水冷壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝期間的質(zhì)量把控、運(yùn)行期間的膨脹監(jiān)控等多方面進(jìn)行優(yōu)化，從而避免水冷壁鰭片開裂的情況發(fā)生，確保鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。