1 000 MW超超臨界鍋爐T23鋼水冷壁防泄漏探討

溫順利，謝 波，蔣向南

（1.天津電力建設(shè)公司，天津市，300041；2.大唐陜西發(fā)電有限公司，西安市，710065）

0 引言

浙江國華寧海電廠二期2×1 000 MW擴(kuò)建工程6號機(jī)組采用上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的型式為SG3091/27.56-M54X的1 000 MW鍋爐。鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置。

鑒于上海某電廠塔式爐與寧海電廠鍋爐類似，該機(jī)組在整套啟動期間由于螺旋段水冷壁37處泄露問題，造成機(jī)組啟停14次；而寧海電廠5號鍋爐在水壓試驗后泄漏17次，6號鍋爐在水壓試驗后泄漏3次。因此，為確保寧海電廠二期工程2×1 000 MW機(jī)組安全、可靠運(yùn)行，就發(fā)生水冷壁管泄露問題的原因進(jìn)行探討并采取積極的應(yīng)對措施，以降低寧海電廠二期鍋爐泄漏的頻次。

1 T23鋼水冷壁泄漏案例及原因分析

根據(jù)對上海某電廠水冷壁管泄漏和寧海電廠二期工程水冷壁管泄漏的統(tǒng)計和分析得出，所有的泄露位置集中分布在螺旋段水冷壁標(biāo)高48～70 m之間的區(qū)域內(nèi)。此區(qū)域為鍋爐的燃燒區(qū)域，即爐膛內(nèi)的高溫區(qū)。水冷壁管為φ38.1 mm×7.3 mm，材質(zhì)為ST213-T23。以下以水壓試驗后發(fā)生的泄漏為例分析其泄漏原因。

為減少機(jī)組整套啟動過程中發(fā)生泄漏現(xiàn)象而造成非計劃停爐次數(shù)，針對寧海電廠二期工程2臺鍋爐，另各加設(shè)1套鍋爐永久性打壓系統(tǒng)（2臺爐配1臺可移動的打壓泵）。這主要是考慮在機(jī)組每次啟動前對鍋爐進(jìn)行工作壓力下的水壓檢查，以避免鍋爐帶缺陷啟動而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

在5號鍋爐整套啟動前的2次水壓試驗中，共查出6處水冷壁泄漏，其中1處有重復(fù)泄漏現(xiàn)象，即共發(fā)現(xiàn)7個漏點(diǎn)。統(tǒng)計結(jié)果表明，泄漏的部位多是鰭片或鑲嵌板與管子的角焊縫處，并且泄漏大多位于4個轉(zhuǎn)角彎管的鰭片的角焊縫處，或是剛性過渡梁與管子角焊縫處，具體位置見圖1。

在6號鍋爐整套啟動前的水壓試驗中，共查出3處水冷壁泄漏。統(tǒng)計結(jié)果表明，廠家焊口位置出現(xiàn)橫向裂紋導(dǎo)致泄漏，泄漏具體位置見圖2。

對于以上泄漏點(diǎn)的分析和比較，得出泄漏點(diǎn)存在3點(diǎn)共性：

（1）發(fā)生泄漏位置的缺陷是裂紋；（2）水冷壁管為φ38.1 mm×7.3 mm，材質(zhì)為SA213-T23；（3）裂紋位置在水冷壁拼縫處、水冷壁上附件筋板與水冷壁焊接處及廠家焊口處。

結(jié)合現(xiàn)場發(fā)生泄漏缺陷的特征，以及對泄漏點(diǎn)的比較分析，初步確定泄漏發(fā)生有以下3方面的原因：（1）廠家焊口部分咬邊、成形差造成應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生焊接缺陷裂紋；（2）設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)不合理，部分焊接應(yīng)力未得到消除，同時又由于水冷壁部位焊接了大量的附件，且這些附件相對較厚，易出現(xiàn)重疊的焊接拘束應(yīng)力；（3）由于鍋爐在啟停過程中水冷壁管與較厚附件受熱不均也會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。

綜合上述（2）和（3）兩方面的因素得出，水冷壁管均經(jīng)過鍋爐的冷熱交變，從而引發(fā)有剛性梁附件處的水冷壁管易被拉裂，從而造成了水冷壁的多處泄漏。

2 T23鋼水冷壁防泄漏措施

2.1 T23鋼的焊接特征

T23鋼與T12、T22等常用的Cr-Mo鋼相比有其特有的焊接特性，其主要不同點(diǎn)如下：

（1）T23鋼的Cr、W、V、Nb等合金元素含量比較大，液態(tài)金屬的粘度較大，鐵水流動性比較差，故T23鋼焊接的可操作性較普通的Cr-Mo鋼差，容易產(chǎn)生未焊透、未熔合、弧坑裂紋，故T23鋼焊接時應(yīng)該防止出現(xiàn)弧坑裂紋、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

（2）T23鋼的合金含量超過5%，在焊接過程中與氧接觸時易被氧化；因此，為防止焊口根部氧化和焊枯，焊接時內(nèi)壁應(yīng)進(jìn)行沖氬保護(hù)。

（3）T23鋼的再熱裂紋敏感性大，而且咬邊、焊縫的成形差等易引起應(yīng)力集中的焊接缺陷。T23鋼對焊接裂紋的敏感性較T12、T22等常用的Cr-Mo鋼大，故T23鋼焊接時應(yīng)注意控制焊接成型，防止應(yīng)力集中。

（4）直道焊、厚焊層的操作手法不適合T23、T24、T91、T92等新型鐵素體耐熱鋼，焊道形狀對這類新型鐵素體耐熱鋼焊接接頭的沖擊韌性有明顯的影響。

2.2 T23鋼焊接操作要點(diǎn)

根據(jù)T23鋼的焊接特性和國內(nèi)外通過試驗、實際應(yīng)用得到的經(jīng)驗，推薦T23鋼焊接操作要點(diǎn)如下：

（1）T23鋼在焊前預(yù)熱溫度控制在100℃左右，確保焊口無裂紋。

（2）小口徑管氬弧焊的焊接沖擊韌性比較高，對于小口徑薄壁管，推薦用全氬焊接。對于厚壁管，可采用氬電聯(lián)焊接方法。為提高焊接質(zhì)量，推薦氬弧焊打底2～3層，管內(nèi)壁通氬保護(hù)，防止氧化。

（3）焊接坡口推薦坡口角度為60°～70°，鈍邊0.5～1 mm，間隙2～3 mm，間隙太小容易造成未焊透，間隙過大容易造成填充金屬量大，造成焊接速度相對減慢，容易導(dǎo)致背面燒焦。

（4）鎢棒推薦磨成15°的錐度，較尖的鎢棒有利于電弧集中，電弧集中有利于熔池成型和焊接速度的提高，防止根部焊縫過燒。

（5）焊接時在保證熔合良好，在不產(chǎn)生焊接冷裂紋的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量不采用過高的預(yù)熱及層間溫度，不采用過大的焊接線能量，采取多層多道焊，焊層高度為2～3 mm，確保上層焊道對下層焊道的回火作用，改變“大電流、斷弧焊、大線能量、厚焊層”的操作方法。

（6）對于拘束應(yīng)力較小的小口徑薄壁管，焊后可不熱處理；對于一定拘束度的焊接結(jié)構(gòu)，焊后宜進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為730～760℃。

所有的泄漏點(diǎn)幾乎都發(fā)生在鍋爐燃燒區(qū)域標(biāo)高48～70 m之間，爐膛四角角部水冷壁密封焊接、水冷壁角部固定裝置填塊焊接、中心固定裝置填塊焊接這3個部位最容易產(chǎn)生局部應(yīng)力過大，而在冷熱交替狀態(tài)下使水冷壁管產(chǎn)生裂紋。

鍋爐爐膛四角角部密封焊接措施：

（1）鋼板、鰭片下料完后必須將鋼板所有割口的氧化鐵、毛刺等打磨清理干凈徹底，使壁板光潔、平直，無凹坑等。壁板用加固筋連接時不打坡口，按圖紙要求留出間隙；鋼板對接檢查其焊口錯邊量應(yīng)小于0.1S（S為管壁厚度），每片板的邊長、對角線要校核，鋼板對接點(diǎn)焊無燒穿、氣孔、開裂、漏點(diǎn)、焊點(diǎn)過高、藥皮不清等缺陷；鋼板焊接前必須將焊道內(nèi)焊渣、藥皮及周圍鐵銹、雜物清理干凈、徹底。

（2）根層點(diǎn)固焊對人員、技術(shù)要求均與正式施焊相同。點(diǎn)焊焊縫長30～40 mm，厚3 mm；點(diǎn)焊1點(diǎn)，檢查1點(diǎn)，如有缺陷及時清除，重新點(diǎn)焊；點(diǎn)焊縫要均勻分布；進(jìn)行根層點(diǎn)固焊，不得在焊口外壁上隨便引弧、調(diào)試電流。

（3）為防止產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，對較長的焊縫采用分段退焊法；對焊縫較集中的四角散管密封處，應(yīng)先焊局部幾道自由焊縫1～5，管子的最大間距焊到1 m時，再焊固定焊縫6，如圖3所示。由于焊縫1～5都焊接完成，而焊縫6未施焊，所以應(yīng)力都得從焊縫6處釋放，因此，在焊縫6焊接前，對其預(yù)熱至150～200℃，以便應(yīng)力釋放。

（4）密封焊接焊縫應(yīng)按照圖紙要求進(jìn)行焊接，各焊高、焊厚及外觀要符合要求；如果散管之間的間隙過小，填加同材質(zhì)的圓鋼，如圖4所示。

（5）如果散管之間的間隙跟設(shè)計間隙差不多，填加同材質(zhì)的扁鐵。必要時填加2塊，2塊之間開坡口焊接，如圖5所示。

在密封工作完成且受熱面未保溫前對鍋爐四角角部重點(diǎn)區(qū)域（標(biāo)高48～70 m）進(jìn)行了表面檢查，確保水冷壁在冷態(tài)狀態(tài)下完好。檢查內(nèi)容如下：

（1）水冷壁拼縫進(jìn)行100%的滲漏試驗；（2）加強(qiáng)T23管子設(shè)備及拼縫的表面質(zhì)量檢查；（3）對標(biāo)高48～70 m的螺旋水冷壁管角部拼縫和鐵部件焊縫進(jìn)行100%的磁粉檢測和滲透檢測。

另外，對水冷壁重點(diǎn)區(qū)域（標(biāo)高48～70 m）進(jìn)行應(yīng)力和硬度測試及分析，并采取釋放局部應(yīng)力措施，確保水冷壁完好。

2.3 T23鋼水冷壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測試

T23鋼水冷壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測試采用小孔釋放法。小孔釋放法只需要在工件表面鉆取1個孔徑和孔深都為2 mm的小孔，對構(gòu)件損傷很小，不像普通機(jī)械切割測量方法那樣具有較大的破壞性；另一方面，小孔釋放法的測量精度較高，因為小孔釋放法的測量理論可靠，測量結(jié)果有較高的可信度。基于上述考慮，采用了小孔釋放法進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的測定。

在6號鍋爐的對應(yīng)位置進(jìn)行焊縫殘余應(yīng)力測試，現(xiàn)場測試情況如圖6所示。測試位置選擇出現(xiàn)泄露較多的48～70 m標(biāo)高區(qū)間，共選擇2處標(biāo)高位置，分別為49 m標(biāo)高和59 m標(biāo)高位置進(jìn)行應(yīng)力測試。測點(diǎn)1：59 m 1號角爐前側(cè)；測點(diǎn)2：59 m 1號角拐角處；測點(diǎn)3：49 m爐前直段過渡梁爐右處；測點(diǎn)4：49 m爐前直段過渡梁爐左處；測點(diǎn)5：49 m 1號角爐右側(cè)；測點(diǎn)6：49 m 1號角拐角處。

2.4 T23鋼水冷壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果

T23鋼水冷壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果如表1。從測試結(jié)果看，6個測點(diǎn)的應(yīng)力水平普遍偏高，最高的2號測點(diǎn)最大應(yīng)力達(dá)387 MPa，已經(jīng)接近T23鋼的材料標(biāo)準(zhǔn)屈服極限下限，5號測點(diǎn)也達(dá)到了352 MPa。應(yīng)力值最小的測點(diǎn)是4號測點(diǎn)，為118 MPa。其余測點(diǎn)的最大主應(yīng)力值在200～300 MPa之間浮動，可見所測點(diǎn)應(yīng)力值均偏高。

表1 T23 鋼水冷壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果Tab.1 The measured wielding residue stresses of T23 steel waterwall structure

（1）水冷壁與剛性過渡梁角焊縫位置的應(yīng)力水平較高，最大測點(diǎn)處接近T23材料標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度的下限，其余測點(diǎn)應(yīng)力大小分布于200～300 MPa。

（2）焊接接頭應(yīng)力水平與焊接結(jié)構(gòu)拘束度較高有密切關(guān)系，而焊后未熱處理使得峰值應(yīng)力難以緩解。

（3）力學(xué)因素是水冷壁焊接接頭產(chǎn)生裂紋或泄漏的主要影響因素，較高的應(yīng)力水平和應(yīng)力集中容易誘發(fā)焊縫及焊縫附近區(qū)域產(chǎn)生裂紋或泄漏等。

（4）T23鋼水冷壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)現(xiàn)場硬度測試。

1）焊縫位置與焊接殘余應(yīng)力測點(diǎn)相同。選擇相同測點(diǎn)的目的是為了將水冷壁應(yīng)力分布情況與焊接接頭的硬度聯(lián)系起來，綜合分析裂紋產(chǎn)生與殘余應(yīng)力分布情況以及焊接質(zhì)量之間的關(guān)系。

2）T23鋼水冷壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)現(xiàn)場硬度測試結(jié)構(gòu)及分析。硬度測試結(jié)果如表2所示，從表2可以得出：鰭片與管子的角焊縫處母材和焊縫硬度處在較低水平，其中T23管子母材的硬度均分布在130～140 HB之間，而與鰭片焊縫處的硬度大多分布在200～220 HB之間；結(jié)合殘余應(yīng)力測試的結(jié)果，雖然測點(diǎn)2及測點(diǎn)5的殘余應(yīng)力較高，最高的2號測點(diǎn)最大應(yīng)力達(dá)387 MPa，但是這2個測點(diǎn)的硬度并沒有出現(xiàn)明顯增大的情況。這一現(xiàn)象說明水冷壁裂紋或泄漏的產(chǎn)生與水冷壁整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高及焊接結(jié)構(gòu)拘束度較大有更密切的關(guān)系，而由于T23鋼焊接接頭淬硬組織導(dǎo)致水冷壁裂紋的關(guān)聯(lián)度較低。

表2 硬度檢測結(jié)果Tab.Tab.2 2 The hardness testing results

（5）根據(jù)T23鋼水冷壁的應(yīng)力分析試驗和硬度分析試驗，為消除局部應(yīng)力過大，采取了對水冷壁上較厚剛性梁附件開應(yīng)力釋放孔及釋放槽和對水冷壁填塊開應(yīng)力釋放槽，如圖7、8所示。

1）考慮到標(biāo)高48～70 m之間區(qū)域內(nèi)水冷壁泄漏集中，主要對這個區(qū)域內(nèi)的爐膛四角角部水冷壁位置和水冷壁中心固定裝置處的水冷壁填塊及角部連接板開釋放應(yīng)力槽。此區(qū)域內(nèi)共4層32處，分別是標(biāo)高65.1，58.83，49.83及40.57 m層，每層共8處，包括4個角部和4個中心固定區(qū)域。具體位置為距離剛性梁連接板上下200 mm以內(nèi)的填塊，共計開應(yīng)力釋放槽996處。

a.在圖7區(qū)域①、②、③范圍內(nèi)按圖要求施工；

b.在距離剛性梁連接板200 mm處畫出分界線，只有分界線以內(nèi)的填塊需要開應(yīng)力釋放槽。

c.在每塊填塊上畫出中心線，該中心線就是所開釋放應(yīng)力槽的位置，用角磨機(jī)在中心線處進(jìn)行切割，直到把填塊切透，同時保證不割傷鰭片。

d.在切割過程中切片必須沿中心線進(jìn)行切割，要與水冷壁管保持平行，并隨時檢查，一旦發(fā)現(xiàn)有割偏、割斜現(xiàn)象，則該位置停止切割，換另一位置重新切割。

2）為減緩水冷壁由于附件焊接應(yīng)力、膨脹不均造成水冷壁管子開裂等現(xiàn)象，擬對標(biāo)高48～70 m層區(qū)域轉(zhuǎn)角處剛性梁大板連接件、鍋爐膨脹死點(diǎn)處疏形板等處進(jìn)行開長30 mm、寬5 mm左右的應(yīng)力釋放槽，要求每間隔300 mm左右開1處。為防止割傷水冷壁管，開設(shè)時預(yù)留與水冷壁管的焊縫，應(yīng)力釋放槽開設(shè)完成后進(jìn)行圓滑過渡，共計開應(yīng)力釋放槽992處，具體尺寸如圖9。

3 結(jié)語

通過對國華寧海電廠二期工程T23鋼水冷壁管泄漏問題的研究分析，針對泄漏發(fā)生的原因采取了一系列的應(yīng)對措施。從目前鍋爐運(yùn)行狀況來看，采取的措施非常有效，6號機(jī)組目前只發(fā)生3次泄漏現(xiàn)象。該文的研究內(nèi)容可為以后國內(nèi)同類型塔式爐機(jī)組的施工和安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行提供參考。

[1]蘇州熱工研究院.神華國華寧海電廠5號、6號鍋爐T23鋼水冷壁應(yīng)力和硬度測試報告[R].蘇州：蘇州熱工研究院，2009.

[2]DL/T 5047—95電力建設(shè)施工及驗收技術(shù)規(guī)范（鍋爐機(jī)組篇）[S].北京：中國電力出版社，1995.

[3]DL/T 5210.2—1996火電施工質(zhì)量檢驗及評定標(biāo)準(zhǔn)（鍋爐篇）[S].北京：中國電力出版社，1996.

[4]DL5009.1—2002電力建設(shè)安全工作規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2002.