DG1025/18.2―Ⅱ(5)型锅炉冷灰斗水冷壁开裂原因分析及对策

【摘 要】本文主要针对水冷壁管开裂现象进行比较深入的讨论，并判断出开裂原因是由于水冷壁与刚性梁错误的连接方式造成管系局部应变集中，在机组启停的多次热循环应力作用下诱发的热疲劳断裂，最后也提出了相应的防止措施。

【关键词】水冷壁；刚性梁；角焊缝；应力集中；低周疲劳

发电厂3号发电机组于1999年6月26日投产开始运行，其锅炉为东方锅炉厂生产的DG1025/18.2-Ⅱ（5）型亚临界压力、中间再热、自然循环单炉膛、全悬吊钢结构露天布置、平衡通风燃煤汽包炉，故障主要发生于2008年12月2日，由于#3锅炉水冷壁冷灰斗刚性梁左墙翼板与水冷壁固定焊缝拉裂爆管，至此，#3锅炉分别累积运行约6.78万小时，本主主要针对锅炉冷灰斗水冷壁开裂原因进行探讨。

1 水冷壁刚性梁结构布置

水冷系统主要由水冷壁、水冷壁延伸包墙、连接管道及吊挂装置、刚性梁、密封装置等组成。锅炉炉膛由垂直管膜式水冷壁构成，炉膛上、下部均采用垂直钢管，整个炉膛截面尺寸为12294mm（左、右墙）×12806mm（前、后墙）。为了保证锅炉水冷壁强度，在水冷壁处布置刚性梁，其中冷灰斗前后墙各布置了三条刚性梁（详见图1），冷灰斗刚性梁通过焊接连接方式，水平固定在左右墙水冷壁上。

根据设计图纸对冷灰斗水冷壁刚性梁的安装要求，按照翼板δ16（1480×800）在水冷壁之间放置数个密封塞块，并将密封塞块（42×150）与水冷壁（?63.5×7.5）焊接，使之在水冷壁表面形成一个水平面，然后把δ16翼板（1480×800）焊接到密封塞块上，最后通过刚性梁与翼板进行焊接固定，保证刚性梁的工作应力通过翼板均匀平稳传递到左右墙的水冷壁上。

2 爆口的宏观检查

2008年12月3日，3号机组在启动过程中，锅炉水冷壁发生泄漏，泄漏点处于锅炉冷灰斗左后墙水冷壁第39根（后向前数）管子与钢性梁翼板的角焊缝处（图4），裂纹沿着焊缝根部呈弧形开裂，长约20mm（图5）。

水冷壁的管材为20G，金相检查组织正常；体视显微镜下清楚观察到裂纹位于水冷壁角焊缝根部（图6），并由管外壁沿一定角度向内壁扩展延伸，裂纹内部存在较多腐蚀产物，翼板角焊缝的根部也存在开裂现象。

水冷壁管爆口为脆性开裂且张口不大，开裂部位在翼板与水冷壁角焊缝的焊趾处，此处为应力集中区域；管子内壁产生腐蚀，表明裂纹已开裂较长的时间；当水冷壁管开裂部位不大且应力较小时，裂纹不张口或张口很小，在机组运行中出现微漏；当机组启停过程，当温度变化较大时，出现的应力较大，裂纹扩展导致泄漏严重。

3 爆管原因分析

水冷壁与刚性梁翼板错误的焊接形式，使得焊接残余应力和热应力在角焊缝的焊趾处集中，在锅炉启停的多次热循环中不断扩展，最终导致水冷壁管产生低周疲劳开裂，发生泄漏。

（1）锅炉水冷壁冷灰斗安装过程中，刚性梁翼板与个别水冷壁管的焊接不符合设计要求，在其连接的角焊缝形成应力集中，且存在焊接残余应力。

厂家图纸设计要求须水冷壁之间焊接密封塞块后，刚性梁翼板才能与水冷壁焊接，确保工作应力通过翼板连接焊缝传递到整个管屏。

由于锅炉安装过程中，未按在水冷壁之间焊接密封塞块，将刚性梁翼板直接与水冷壁管焊接，连接两者的角焊缝形成应力集中区域，且焊趾处存在残余焊接应力，各种应力在此区域叠加放大。

（2）水冷壁与刚性梁翼板连接部位由于结构和传热特点，决定了该部位有一定程度的结构热应力，且热应力的分布和应力状态较为复杂。

当锅炉的水冷壁是由垂直管组成，刚性梁结构一般是由位于不同高度围绕锅炉外壁的水平钢梁构成。刚性梁翼板与水冷壁管有热传导关系，当锅炉由冷态启动到热态全负荷运行时，水冷壁管受到管内炉水热传导，出现数量相当可观的线性热膨胀。刚性梁翼板与炉水没有直接的接触，线性膨胀量很小。故对于水冷壁和刚性梁翼板之间各位置的温度差异，不同的热膨胀而产生了一定程度的热应力。

综上所述：由于水冷壁管与翼板之间存在温差，膨胀受阻，应力集中，经过多次机组启停的热循环，造成水冷壁管与翼板角焊缝拉裂。

4 预防措施

（1）利用停炉检修机会，加强对四台锅炉冷灰斗刚性梁翼板附近水冷壁的防爆防磨检查，将存在的翼板与水冷壁角焊缝进行打磨清除，并通过着色检查确认没有裂纹等缺陷。

（2）对不符合设计要求的翼板与水冷壁的焊接结构进行改进，即在水冷壁之间焊接密封塞块，然后再将翼板与密封塞块进行焊接固定，防止再次发生相同的原因拉裂水冷壁管。

（3）减少机组频繁启停的次数，严格控制锅炉各受热面的运行参数，尤其是注意对锅炉温度的控制与调整，避免出现锅炉温度剧变诱发的拉裂问题。