鍋爐水冷壁橫向裂紋失效機(jī)理分析

　鍋爐水冷壁橫向裂紋的機(jī)理在國(guó)內(nèi)，多種鍋爐均存在水冷壁橫向裂紋失效問(wèn)題；美國(guó)超臨界鍋爐大部分也存在該問(wèn)題。水冷壁橫向裂紋主要發(fā)生在熱負(fù)荷最高區(qū)域水冷壁向火側(cè)管壁。目前對(duì)水冷壁橫向裂紋失效機(jī)理和關(guān)鍵因素的研究尚不成熟。

　　SG1000鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界壓力、UP型直流鍋爐，自70年代投入使用，水冷壁一直存在橫向裂紋泄漏問(wèn)題。HG2008鍋爐系哈爾濱鍋爐廠引進(jìn)美國(guó)CE公司技術(shù)生產(chǎn)的亞臨界壓力、控制循環(huán)鍋爐，該爐水冷壁也存在橫向裂紋泄漏問(wèn)題，造成機(jī)組被迫停機(jī)。

　　為解決鍋爐水冷壁泄漏問(wèn)題，美國(guó)EPRI經(jīng)過(guò)3年大量的試驗(yàn)研究，認(rèn)為水冷壁金屬管壁的壁溫峰值是導(dǎo)致水冷壁橫向裂紋失效的關(guān)鍵因素。裂紋的產(chǎn)生和化學(xué)監(jiān)控也有著密切的關(guān)系。國(guó)內(nèi)針對(duì)SG1000鍋爐和HG2008鍋爐水冷壁橫向裂紋失效也進(jìn)行了大量的研究，包括金相分析、水冷壁壁溫、流量測(cè)量試驗(yàn)等，但是，對(duì)水冷壁爐管應(yīng)力的分析較少。本文通過(guò)爐管應(yīng)力分析，探討水冷壁橫向裂紋失效的機(jī)理和主要原因。

　　1鍋爐特點(diǎn)燃燒器為直流燃燒器。水冷壁采用一次上升、中間兩次混合的小管徑膜式水冷壁，管徑為劉勇，男。畢業(yè)于清華大學(xué)。碩士。副教授。動(dòng)力系。430072￠22X5.5mm，節(jié)距為35mm，爐膛沿高度方向分上輻射、中輻射、下輻射3部分。上輻射為鰭片管，中、下輻射為四頭內(nèi)螺紋管。

　　HG2008鍋爐采用單爐膛，寬深比為1.28：1，鍋爐燃燒方式為四角布置雙切圓燃燒，燃燒器為正四角布置的擺動(dòng)式直流燃燒器。鍋爐采用爐水循環(huán)泵和內(nèi)螺紋管的強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。在爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域內(nèi)采用內(nèi)螺紋管水冷壁，防止系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生傳熱惡化。水冷壁設(shè)計(jì)管2水冷壁橫向裂紋特點(diǎn)HG2008鍋爐水冷壁橫向裂紋均發(fā)生在左、右水冷壁中間區(qū)域燃燒器及其以上高度至壁式再熱器遮蓋區(qū)以下的內(nèi)螺紋管，該區(qū)域熱負(fù)荷較大。水冷壁橫向裂紋具有如下特點(diǎn)：泄漏處裂紋均在向火側(cè)，有大量垂直于管子軸線方向密集的相互平行的直線型叢狀裂紋，斷口有海灘花樣，裂紋管段己發(fā)生蠕變變形。這種裂紋是由于受到交變熱應(yīng)力而引起的疲勞裂紋，即熱疲勞裂紋。水冷壁橫向裂紋主要由水側(cè)產(chǎn)生并向外擴(kuò)展，在裂穿的主裂紋附近管子內(nèi)壁還有大量的細(xì)小裂紋。裂紋內(nèi)充滿了灰色腐蝕產(chǎn)物，且有Ca、CUMg、Cu等元素的存在，說(shuō)明在裂紋的擴(kuò)展中伴隨有明顯的氧化和腐蝕現(xiàn)象。

　　SG1000鍋爐水冷壁橫向裂紋多出現(xiàn)在靠近中輻射區(qū)出口的管屏拼縫處及交叉管處，下輻射區(qū)的橫向裂紋多出現(xiàn)在燃燒器上方部分受熱較強(qiáng)的管子。水冷壁橫向裂紋多從鰭片起裂并向爐管向火擴(kuò)展，管子內(nèi)壁還有大量的細(xì)小橫向裂紋。

　　3鍋爐水冷壁壁溫測(cè)量結(jié)果SG1000鍋爐在發(fā)生橫向裂紋處，管子向火側(cè)外壁管壁溫度一般在500°C左右波動(dòng)，其波動(dòng)幅度為±50°C，正常管子向火側(cè)外壁管壁溫度則在400°C左右，在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)管和正常管壁溫具有相同的升降趨勢(shì)，當(dāng)壁溫低于這一范圍后，正常管壁溫將保持不變。運(yùn)行工況對(duì)管壁溫度的波動(dòng)有很大影響，較大的工質(zhì)流速有利于減小壁溫波動(dòng)。

　　HG2008鍋爐水冷壁壁溫測(cè)量結(jié)果表明：管子向火側(cè)外壁測(cè)點(diǎn)壁溫穩(wěn)定時(shí)，溫度僅隨機(jī)變化12‘C；有些測(cè)點(diǎn)在某些工況壁溫發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)幅度最高可達(dá)6080波動(dòng)周期有的長(zhǎng)達(dá)十幾分鐘或更長(zhǎng)，而短的只有13min，波形均為鋸齒形，溫度先快速上升至最高，而后相對(duì)緩慢地逐步下降至最低。負(fù)荷對(duì)壁溫有顯著的影響，其它因素（如流量、燃燒器擺角、高加投停等）影響較小。

　　4水冷壁管壁應(yīng)力分析4.1內(nèi)壓力造成的機(jī)械應(yīng)力筒壁的彈性計(jì)算（不考慮鰭片的影響，管內(nèi)壓力為P）結(jié)果如下：軸向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力徑向應(yīng)力內(nèi)壁1.67/，外壁內(nèi)壁-尸，67尸。平均外壁0.0內(nèi)壁4.2/.外壁內(nèi)壁3.2八平均3.64尸外壁0.0 4.2溫度梯度造成的熱應(yīng)力熱應(yīng)力物性方程為：aa-p（￡70r+￡7rr）=E 4.3總應(yīng)力――軸向總應(yīng)力：<7zp―軸向熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力；iT-179p環(huán)向熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力；rr，°rv徑向熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力；fzp――軸向熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變；a――材料的膨脹系數(shù)；E―彈性系數(shù)；t溫度。

　　在內(nèi)、外壁處〃為零，故內(nèi)、外壁處軸爐管只能隨著膜式水冷壁整體膨脹，各根爐管具有相同的軸向變形10'=0.33，可得其軸向應(yīng)力：忽略環(huán)向熱應(yīng)力的影響，爐管內(nèi)壓力取20MPa，則內(nèi)、外壁處軸向應(yīng)力￠=-2.53（/-409.5）MPa.鍋爐運(yùn)行時(shí)膜式水冷壁壁溫分布：向火側(cè)溫度篼于背火側(cè)，溫度最高點(diǎn)在向火側(cè)外側(cè)管壁或鰭片中點(diǎn)：熱負(fù)荷大的爐管平均壁溫高，熱負(fù)荷小的爐管平均壁溫低。

　　HG2008鍋爐水冷壁壁溫測(cè)量表明，管子向火側(cè)外壁測(cè)點(diǎn)壁溫均大于409C，其爐管向火側(cè)管壁軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，管子向火側(cè)外壁測(cè)點(diǎn)壁溫發(fā)生波動(dòng)，壁溫可達(dá)500r以上，爐管向火側(cè)管壁承受很大的軸向壓應(yīng)力。

　　SG1000鍋爐在發(fā)生橫向裂紋處，管子向火側(cè)外壁管壁溫度一般在500°C左右波動(dòng)，其管壁溫度幅度更高，爐管向火側(cè)管壁承受更大的軸向壓應(yīng)力。

　　鍋爐熄火冷卻時(shí)膜式水冷壁壁溫分布：向火側(cè)溫度低于背火側(cè)，溫度最低點(diǎn)在向火側(cè)外側(cè)管壁或鰭片中點(diǎn)，通風(fēng)強(qiáng)制冷卻則向火側(cè)爐管壁溫更低。此時(shí)，爐管向火側(cè)管壁承受較大的軸向拉應(yīng)力。

　　5橫向裂紋機(jī)理分析鍋爐運(yùn)行時(shí)水冷壁爐管向火側(cè)內(nèi)、外壁應(yīng)力分布特點(diǎn)是環(huán)向應(yīng)力為拉應(yīng)力軸向應(yīng)力及徑向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且一般情況下有a如材料的屈服應(yīng)力為230MPa，則rD>467 C時(shí)，發(fā)生塑性變形。

　　失效機(jī)理分析：鍋爐運(yùn)行時(shí)水冷壁爐管向火側(cè)壁溫高，由于爐管向火側(cè)、背火側(cè)壁溫差大，爐管不能自由膨脹，在向火側(cè)產(chǎn)生過(guò)大的軸向壓應(yīng)力，發(fā)生較大的塑性變形（割管后爐管?chē)?yán)重內(nèi)彎）。鍋爐熄火后水冷壁爐管向火側(cè)壁溫低于平均溫度，殘余塑性變形均使向火側(cè)產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，故水冷壁爐管向火側(cè)存在較大的交變應(yīng)力。當(dāng)管壁存在應(yīng)力集中時(shí)�？赡苁咕植繀^(qū)域產(chǎn)生熱應(yīng)力棘輪，發(fā)生熱疲勞破壞。

　　向火側(cè)壁溫波動(dòng)時(shí)，存在沖擊性熱疲勞。

　　壁溫波動(dòng)峰值時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形。在循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，發(fā)生低周疲勞破壞（塑性疲勞）。割管時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)彎現(xiàn)象表明向火側(cè)存在較大軸向塑性變形和殘余應(yīng)力。在失效機(jī)理中低周熱疲勞是造成裂紋橫向生成的根本因素。

　　6結(jié)論鍋爐運(yùn)行時(shí)，水冷壁局部爐管向火側(cè)壁溫過(guò)高，由于爐管不能自由膨脹，在向火側(cè)過(guò)大的軸向壓應(yīng)力導(dǎo)致塑性變形。鍋爐熄火后水冷壁爐管向火側(cè)壁溫低于平均溫度，在向火側(cè)產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力。鍋爐啟、停產(chǎn)生交變應(yīng)力。

　　局部爐管向火側(cè)壁溫太高或存在應(yīng)力集中時(shí)，塑性變形很大，產(chǎn)生熱應(yīng)力棘輪，發(fā)生熱疲勞破壞。壁溫波動(dòng)時(shí)，向火側(cè)溫度變化大，使向火側(cè)壁溫峰值加大，更易發(fā)生熱疲勞破壞。

　　水冷壁橫向裂紋是由于水冷壁局部爐管向火側(cè)壁溫峰值過(guò)高造成的。

　　7討論根據(jù)水冷壁橫向裂紋失效機(jī)理可分析各種因素對(duì)水冷壁橫向裂紋失效的影響，問(wèn)題的關(guān)鍵是水冷壁局部爐管向火側(cè)壁溫峰值。

　　水冷壁熱負(fù)荷大使向火側(cè)管壁溫度升高，管內(nèi)結(jié)垢多，腐蝕大。結(jié)垢多在長(zhǎng)期運(yùn)行后也使向火側(cè)管壁溫度升高。

　　壁溫波動(dòng)時(shí)，向火側(cè)溫度變化大，使向火側(cè)壁溫峰值加大，造成熱沖擊，更易發(fā)生熱疲勞破壞。

　　爐水工況、鍋爐水質(zhì)差，結(jié)垢快，腐蝕大。結(jié)垢使向火側(cè)溫度高，腐蝕會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)和裂紋源。