关于火电厂锅炉水冷壁鳍片横向拉裂问题研究

关于火电厂锅炉水冷壁鳍片横向拉裂问题研究
发布时间：2021-03-18T03:10:12.015Z 来源：《科技新时代》2020年12期作者：王玲洋[导读] 火电厂中的锅炉是重要的生产设备之一，锅炉中的水冷壁管是热量交换和传递的核心部件。

在日常生产过程中，因运行工况较为复杂，水冷壁鳍片经常出现拉裂的故障，造成设备失效，给电厂生产带来不利影响。

本文围绕水冷壁鳍片的横向拉裂问题进行了分析。

文章从鳍片宽度、焊接工艺和材料匹配度、焊接残余应力影响几个方面进行了论述，供相关人士参考。

王玲洋
贵州金元茶园发电有限责任公司贵州省毕节市 551700
摘要：火电厂中的锅炉是重要的生产设备之一，锅炉中的水冷壁管是热量交换和传递的核心部件。

在日常生产过程中，因运行工况较为复杂，水冷壁鳍片经常出现拉裂的故障，造成设备失效，给电厂生产带来不利影响。

本文围绕水冷壁鳍片的横向拉裂问题进行了分析。

文章从鳍片宽度、焊接工艺和材料匹配度、焊接残余应力影响几个方面进行了论述，供相关人士参考。

关键词：锅炉水冷壁、鳍片拉裂、焊接 1引言
火电厂发电过程中，锅炉安全工况对于整个机组的安全性有着重要的影响。

锅炉水冷壁是锅炉系统的核心部件，一旦出现缺陷故障，则很容易引发一系列安全事故。

本文重点从锅炉水冷壁鳍片横向拉裂的问题进行了分析，旨在减少水冷壁运行风险，确保锅炉运行安全性和平稳性。

2鳍片宽度
火电厂锅炉检修中发现水冷壁多出鳍片宽度超出正常值，进一步观察发现鳍片中心存在开裂、变形的问题。

裂缝一端已经延伸到靠近水冷壁管壁的位置。

鳍片宽度异常的问题出现在吹灰器、燃烧器、看火孔等构建附近位置，而在角焊缝向火侧位置未发现到缺陷。

由此推测鳍片横向开裂与鳍片宽度有关。

鳍片中心的表现温度和鳍片宽度之间存在正向关系，与鳍片厚度之间存在反向关系。

因此当鳍片的宽度越宽时，鳍片中心的表面温度越高，造成鳍片不同区域存在较大的温差，产生的温差应力容易造成鳍片开裂。

如在水冷壁人孔区域的鳍片，鳍片根部的宽度和鳍片中心的宽度差距较大，导致不同区域的温差也较大，温差带来的热应力作用使鳍片发生横向拉裂，裂缝从中心部位向两侧逐渐延伸。

从金属材料的热疲劳应力方面进行分析，金属材料在地狱拉伸强度极限的热交变应力反复作用下很容易出现热疲劳断裂。

对于同一种材料来说，当温度梯度越高时，热疲劳应力越大。

由此可以判断，鳍片横向拉裂的原因是热疲劳应力导致。

而热疲劳应力造成的开裂主要取决于鳍片的温度梯度，这与鳍片不同区域的温差有关。

而水冷壁在降温过程中温度由高温骤然降低，水冷壁管壁温度无法在较短的时间内分布均匀，因此产生一个瞬时的热冲击应力。

当水冷壁外壁受到热冲击时，管壁温度发生瞬时突变。

如果鳍片中心区域存在微小裂缝，则在热冲击的作用下会导致裂缝向周围延伸开裂，形成横向裂纹群。

虽然水冷壁鳍片横向裂纹并不是由内压所直接导致的，但是内压作用会加速鳍片的热疲劳损坏，即加重裂纹恶化趋势。

结合上述原因，工作人员可以对水冷壁结构进行改造，通过改变水冷壁结构来减少或避免鳍片宽度造成的不利影响。

将水冷壁管起始弯折点改造成与人孔两侧水冷壁管弯折段平行的方式，同时将宽度较大的区域中水冷壁管距离适当调整，是鳍片区域的水冷壁管分布均匀，间隔距离均衡。

3焊接工艺与材料匹配度
锅炉水冷壁可分为垂直段、过渡段和螺旋段。

在水冷壁管屏地面组合焊接部位经常出现鳍片横向拉裂的缺陷。

对这一部位的缺陷进行检测和诊断，发现水冷壁管材和水冷壁鳍片材料不同，这就对水冷壁管材和水冷壁鳍片焊接工艺提出较高的要求。

因此初步推测该部位鳍片出现横向拉裂的原因是焊接工艺出现了问题。

水冷壁鳍片采用特殊钢材制成，材料具有很强的冷裂倾向和淬硬倾向，必须采用科学的焊接工艺，并对焊接工艺质量进行严格把控。

如果焊接过程中预热温度不够，或者没有进行严格的焊后处理，则很容易出现焊接质量不合格的问题，这就给水冷壁鳍片埋下了拉裂隐患。

在材料焊接前必须预热到一定的温度，这样可以减缓焊缝内金属的冷却速度，同时也起到促进焊缝位置金属扩散氢逸出的功能。

当预热到一定的温度后，焊接材料在结构上的拘束度也将有所降低，可以更好地降低焊接应力，提高焊接部位的抗裂性能。

如果焊接后没有进行严格的缓慢冷却，就无法保证金属扩散氢的逸出，无法释放材料较强的残余应力，使材料的组织性能无法保障。

此外，在焊接工艺中，工作人员如果操作顺序不对，或者没有合理分布焊缝位置，也会导致焊接质量不合格的问题。

在对水冷壁管屏地面组合焊接部位中的鳍片检修过程中，发现如果采用单面焊的焊接工艺对于焊接残余应力的释放效果不理想，这样的情况下就会使较大的焊接压力存在在焊缝部位，无法满足鳍片焊接的质量要求，继而引发鳍片横向拉裂缺陷。

结合上述原因，工作人员可以对水冷壁鳍片焊接工艺进行改善和优化。

采用双面焊接工艺，并采用分段焊接方式，每两米或三米为一个焊接段。

对于已经出现横向拉裂的鳍片，先对拉裂部位进行打磨，通过实验检测确定拉裂部位清除，然后实施双面焊接工艺对鳍片进行补焊处理。

焊层分为三道，正面两道，反面一道，焊接电压为20~26伏，焊接电流为80~120安，焊接速度为50~80毫米/分钟。

焊接工艺中，应注意焊前预热，使焊缝金属减缓冷却速度，同时有助于焊缝位置金属氢的逸出。

焊前预热温度和层间温度控制在200~300℃。

在焊接工序完成后及时加盖保温材料，认真做好缓冷措施，降低鳍片材料的淬硬性。

4焊接残余应力影响
对螺旋水冷壁管焊口进行检测发现焊口开裂，同时水冷壁鳍片出现横向拉裂缺陷。

工作人员对这两个部位进行检查发现水冷壁鳍片拉裂的方向和水冷壁管焊口的裂缝方向平行。

通过金相试样检测确定上述焊口采用的焊接工艺是先进行一遍氩弧焊，然后再进行一遍手工电弧焊盖面。

检测结果发现手工电弧焊焊接的能量较大。

观察鳍片拉裂缝的截面，发现截面内孔呈现出向外延伸的椭圆形状，而延伸的方向与鳍片裂缝的方向趋于一致。

因此可以判断水冷壁管在鳍片裂缝方向承受了较大的拉伸应力。

对裂缝存在的参与应力进行分析确定水冷壁鳍片拉裂的原因是受到焊接残余应力的影响导致。

由于焊接过程中，钢结构内部温度场存在不均匀的情况，因此焊件在焊接过程中内部容易产生焊接应力。

因焊缝部位的金属材料存在环向收缩的趋势，因此在焊缝部位会形成拉伸参与应力。

在金相试样检测中发现手工电弧焊接的能量较大，焊缝部位金属厚度最大为六米，因而焊缝位置存在很大的焊接残余应力，给鳍片横向拉裂埋下的隐患。

在焊接残余应力不断叠加的情况下，鳍片焊缝位置出现横向拉裂。

结合上述原因，工作人员可以对鳍片焊接部位进行试验探伤检测，对存在问题的部件及时更换。

在锅炉日常运行中，应做好焊接部位的接头以及水冷壁管的定期检测，妥善预防水冷壁鳍片开裂。

此外，应注意焊接工艺实施，保障焊接质量合格。

5结语
综上所述，在火电厂的生产工艺中，锅炉系统是重要单元。

锅炉水冷壁鳍片经常出现横向拉裂的故障，应引起工作人员的重视。

本文从鳍片宽度、焊接工艺和材料匹配度、焊接残余应力三个方面进行了分析，并提出了解决和应对的办法，希望给火电厂生产技术人员提供思路和参考，更好地推动火电厂锅炉系统装置运行的安全性和可靠性，保障电厂生产效益。

参考文献：
[1]邵志强.锅炉水冷壁管开裂原因分析[J].山西电力，2020，（2）
[2]董志红.蒙殿武.沈全宏.范洪远.龚家宝.锅炉水冷壁横向裂纹开裂原因分析[J].电焊机，2020（05）
[3]尤涛.锅炉水冷壁管的泄漏原因与防治措施[J].能源科技，2020（03）。