某電廠l號(hào)爐為HG-1021/18.2-WM型鍋爐，系哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司采用美國(guó)CE公司（現(xiàn)為ABB-CE）技術(shù)制造的亞臨界壓力、一次中間再熱的自然循環(huán)汽包鍋爐，于1996年投入商業(yè)運(yùn)行。該爐采用單水冷爐膛、尾部雙煙道，II型半露天布置，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐爐膛四角布置直流式燃燒器，采用切圓燃燒方式，燃用混合煤，固態(tài)排渣。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了純燒晉東無(wú)煙煤的可能性，采用了雙通道自穩(wěn)式燃燒器。每角燃燒器從上至下布置5層一次風(fēng)口，上3層可擺動(dòng)±150～20°，下3層固定不動(dòng)。鍋爐爐膛斷面尺寸為12 808 mm×12 802 mm，為防止水冷壁系統(tǒng)發(fā)生傳熱惡化，在冷灰斗拐點(diǎn)以上的爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域采用了直徑為∮63×8 mm、材料為SA-178C的內(nèi)螺紋管。
    在1999年5月大修后水壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)爐膛水冷壁螺紋管有泄漏并存在許多橫向裂紋。為此，進(jìn)行了調(diào)查試驗(yàn)，初步分析了原因并提出防止產(chǎn)生橫向裂紋的建議和措施。富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1、水冷壁管產(chǎn)生橫向裂紋的情況
    該爐自投運(yùn)至大修累計(jì)運(yùn)行約15 000 h，機(jī)組起停68次，不投油低負(fù)荷運(yùn)行可達(dá)160MW，機(jī)組經(jīng)常調(diào)峰，燃料較雜。鍋爐大修后水壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)爐膛右側(cè)水冷壁從前向后數(shù)第67根內(nèi)螺紋管在標(biāo)高24 m左右泄漏�，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，泄漏處為一橫向裂紋，且在泄漏處附近存在著多條縫隙狀橫向裂紋。利用磁粉探傷等手段對(duì)水冷壁進(jìn)行了大范圍的檢查，查明右側(cè)水冷壁從63根至72根共10根管，在標(biāo)高22～28 m處的范圍內(nèi)存在大量的橫向裂紋，裂紋的長(zhǎng)度、深度不等。從割下的裂紋管看，在管子向火側(cè)的內(nèi)表面環(huán)向約80。的范圍內(nèi)有水垢存在，內(nèi)壁有坑狀腐蝕，并且螺紋根部有裂紋，有些管子的螺紋部分甚至已經(jīng)腐蝕掉。
2、橫向裂紋的原因分析
    水冷壁產(chǎn)生橫向裂紋的原因很復(fù)雜，國(guó)內(nèi)大容量機(jī)組中平圩電廠600 MW控制循環(huán)鍋爐和姚孟電廠300 MW直流鍋爐出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的情況，原因是負(fù)荷變化造成水冷壁管壁溫波動(dòng)而產(chǎn)生交變熱應(yīng)力引起的。但該電廠l號(hào)爐是自然循環(huán)鍋爐，其水循環(huán)系統(tǒng)和特性與前兩者不同。因此，需針對(duì)鍋爐的特性、運(yùn)行狀況和管子裂紋的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。
2.1水冷壁管失效的形式
    從該電廠l號(hào)爐水冷壁裂紋管的宏觀形貌看，裂紋泄漏處破口不大，管段無(wú)明顯脹粗，管壁減薄量不大。在爐內(nèi)的水冷壁外觀檢查中發(fā)現(xiàn)，在燃燒器區(qū)域的四周水冷壁管子外壁有一層約1mm厚的氧化皮，說(shuō)明在鍋爐運(yùn)行期間可能曾有過(guò)因燃燒切圓過(guò)大或偏斜而造成火焰貼壁，但在右側(cè)水冷壁裂紋泄漏處卻沒(méi)有氧化皮。通過(guò)金相檢查發(fā)現(xiàn)，裂紋管的向火側(cè)外壁和內(nèi)壁組織均有碳化物在鐵素體晶界聚集以及石墨析出，發(fā)生球化現(xiàn)象。因此，可斷定裂紋管的失效不是由短期超溫造成的。
    肉眼觀察，裂紋管的向火側(cè)內(nèi)壁有大量垂直于管子軸線(xiàn)的環(huán)向裂紋，呈縫隙狀，且管子內(nèi)部也有許多細(xì)小裂紋。一般來(lái)說(shuō)，這種裂紋是由管子受到交變熱應(yīng)力而引起的疲勞裂紋。
2.2管壁結(jié)垢
    水冷壁結(jié)垢相當(dāng)嚴(yán)重。對(duì)照CE公司對(duì)水質(zhì)的規(guī)定，結(jié)垢量大于15mg/cm2為中等結(jié)垢，當(dāng)結(jié)垢量大于40mg/cm2為嚴(yán)重結(jié)垢（此數(shù)據(jù)系指管子向火面試樣，其結(jié)垢量包括軟性水垢和硬性水垢，水垢質(zhì)量／結(jié)垢面積）。根據(jù)電廠初步分析，永垢中含鐵偏高，氧化鈉成分也偏高，磷酸鹽偏低。從試樣情況來(lái)看，垢下腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，除有坑蝕外，局部地方內(nèi)螺紋部分已經(jīng)腐蝕掉，而背火側(cè)管內(nèi)壁較清潔。從該鍋爐水冷壁其他部位割管檢查情況來(lái)看，水冷壁管子也存在著不同程度的結(jié)垢情況。
    水垢的導(dǎo)熱系數(shù)極差，只有金屬的幾十分之一，能?chē)?yán)重降低管壁到工質(zhì)側(cè)的放熱系數(shù)，導(dǎo)致管壁溫度急劇升高。水垢在特定條件下，由于電化學(xué)的作用，還能夠引起垢下腐蝕。有關(guān)資料表明，當(dāng)鍋爐給水中含鐵較多時(shí)，在高熱負(fù)荷區(qū)的管子內(nèi)壁形成氧化鐵垢，同時(shí)，當(dāng)水垢中含有氧化銅時(shí)，就能夠引起垢下腐蝕。
    CE公司對(duì)平圩電廠600 MW鍋爐水冷壁泄漏管試樣的分析報(bào)告也認(rèn)為水冷壁管子橫向裂紋與垢下腐蝕有關(guān)。如果酸洗不及時(shí)，水冷壁結(jié)垢和垢下腐蝕就會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。應(yīng)該指出，水冷壁結(jié)垢和熱負(fù)荷成線(xiàn)性關(guān)系，熱負(fù)荷越高的區(qū)段，管子內(nèi)壁結(jié)垢程度越嚴(yán)重。這也可能是導(dǎo)致水冷壁管子超溫爆管事故均發(fā)生在燃燒器和其上方等高熱負(fù)荷區(qū)域的原因之一。
2.3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    從泄漏處水冷壁管子金相試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，材料的化學(xué)元素含量符合規(guī)定，材料的屈服強(qiáng)度、延伸率等機(jī)械性能也符合要求，而且發(fā)生裂紋的管子都集中在一個(gè)回路上，在水冷壁的其他部位沒(méi)有發(fā)生裂紋，這說(shuō)明管子材料本身不是直接導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的原因。
    從鍋爐水動(dòng)力情況來(lái)看，鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)已對(duì)每一個(gè)循環(huán)回路進(jìn)行了精確的水動(dòng)力計(jì)算，整個(gè)循環(huán)倍率為4.3，在管子出現(xiàn)裂紋的回路，計(jì)算循環(huán)倍率約為3，水循環(huán)是安全的。同時(shí)，自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)具有補(bǔ)償性，在水循環(huán)特性較差的后水冷壁及延伸包墻均未發(fā)生水循環(huán)破壞情況，說(shuō)明水循環(huán)是可靠的。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有電站鍋爐水循環(huán)發(fā)生故障的報(bào)道。
    這次大量橫向裂紋分布在燃燒器區(qū)域，斷口出現(xiàn)在剛性梁附近，爐外側(cè)是大風(fēng)箱等。因此，首先懷疑鍋爐結(jié)構(gòu)是否有問(wèn)題。通過(guò)檢查，水冷壁向下膨脹是自由的，不受阻；剛性梁結(jié)構(gòu)也未見(jiàn)異常；爐外大風(fēng)箱等情況也良好，此結(jié)構(gòu)是美國(guó)CE公司的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，技術(shù)非常成熟，已完全消化吸收并掌握，不存在結(jié)構(gòu)問(wèn)題。
3、結(jié)論
    由于某種原因，鍋爐給水不符合要求，引起結(jié)垢，在爐右側(cè)泄漏處（即斷口）是熱負(fù)荷及熱流密度最大的地方。根據(jù)CE公司的經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)螺紋根部的熱流密度為向火側(cè)平均熱流密度的1.25倍。根部的高熱流密度導(dǎo)致較厚的水垢，水垢不僅導(dǎo)致傳熱惡化，引起管壁超溫，而且引起垢下腐蝕：同時(shí)由于煙氣的貼壁及燃燒不穩(wěn)定、負(fù)荷及運(yùn)行工況變化（該爐啟動(dòng)及停爐頻繁，經(jīng)常參加調(diào)峰）引起管子壁溫的波動(dòng)，產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，在其作用下，管子產(chǎn)生了疲勞破壞，隨著疲勞的加深，出現(xiàn)橫向裂紋，隨著裂紋的加深擴(kuò)大，逐漸產(chǎn)生了泄漏。
    平圩電廠600MW鍋爐由于水質(zhì)監(jiān)控不嚴(yán)，加上運(yùn)行中火焰貼壁等產(chǎn)生垢下腐蝕以及熱疲勞的交變作用，曾一度在燃燒器區(qū)域上方的水冷壁出現(xiàn)過(guò)不少橫向裂紋而導(dǎo)致泄漏。
4、防治建議
    (1)換管。在燃燒器區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模的檢查，查出有裂紋的管子，根據(jù)裂紋的情況換管。在高熱負(fù)荷及結(jié)垢嚴(yán)重的地方，可將國(guó)產(chǎn)15CrMoG光管送到異型鋼管廠拔成內(nèi)螺紋管、換管。
  (2)酸洗。對(duì)照CE公司標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)垢情況進(jìn)行分析，確定是否酸洗。
   (3)加強(qiáng)運(yùn)行管理。對(duì)水處理設(shè)備運(yùn)行管理要加強(qiáng)，加大對(duì)水質(zhì)監(jiān)控力度，確保合格的給水與爐水品質(zhì)：對(duì)燃燒的調(diào)節(jié)也要注意，防止煙氣貼壁，避免嚴(yán)重結(jié)垢的產(chǎn)生；對(duì)鍋爐停啟頻率及負(fù)荷變化率、鍋爐升溫升壓速度以及鍋爐停爐冷卻速度等均應(yīng)嚴(yán)格控制，避免長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行，對(duì)停爐的保養(yǎng)也應(yīng)加強(qiáng)管理。
    (4)加強(qiáng)對(duì)壁溫的控制。在燃燒器區(qū)域，有必要加裝水冷壁壁溫測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)水冷壁管子壁溫的監(jiān)控，避免水冷壁管子壁溫出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。
不同管徑和膜片寬度下的計(jì)算結(jié)果，以便分析膜片結(jié)構(gòu)對(duì)磨損的影響；也可調(diào)用優(yōu)化程序，得出最佳結(jié)構(gòu)尺寸。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表。
    由于膜片厚度對(duì)傳熱及煙速的影響相對(duì)較少，且錯(cuò)列布置比順列布置換熱效果要好，故以上計(jì)算數(shù)據(jù)針對(duì)錯(cuò)列且膜片厚度為3 mm的情況。從表中數(shù)據(jù)可知：
  (1)膜片管管徑越大時(shí)，煙速越小，有利于減輕磨損，降低煙道阻力，減少?gòu)S用電耗；同時(shí)，金屬耗量也降低，減少了材料成本。但煙速過(guò)低，會(huì)增加積灰的可能性，故管徑并非越大越好。
    (2)增加膜片寬度，對(duì)磨損影響不大，但可降低煙側(cè)流阻及金屬耗量。
    (3)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的膜片管省煤器與原光管省煤器相比，最大磨損量、流阻及金屬耗量分別減少為原來(lái)光管的33.5%、41.5%及68.2%，說(shuō)明用膜片管省煤器取代光管省煤器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶(hù)們不錯(cuò)的選擇。