(论文)蒸汽吹灰导致水冷壁弯管裂纹的原因分析1.doc

吹灰孔水冷壁弯管裂纹的原因分析
韩宝军
（大唐长山热电厂，吉林松原，131109）
摘要：对因吹灰器损坏，导致蒸汽直接吹扫水冷壁弯管上，造成裂纹的原因进行了理论分析和计算，提出了对策。关键词：吹灰；水冷壁；裂纹；原因

大唐长山热电厂九号炉为HG-670/13.73-540/540-12型锅炉，于1998年进行吹灰器改造，将原有炉膛及尾部烟道的各式吹灰器均改造为声波吹灰器，改造后吹灰效果良好,稳定运行至今。1问题的提出2004年8月发生炉膛2个吹灰器墙孔处水冷壁弯管裂纹漏泄事故，位置在27米标高，炉膛乙侧＃7及炉后＃6吹灰器墙孔处。两处漏泄点特征一致：①墙孔弯管内弧鳍片端部；②横向裂纹；③吹灰器及其外套筒均吹损；④水冷壁及鳍片表面无冲刷磨损痕迹。
该炉水冷壁规格为Φ60＊6.5，材质为20G，鳍片管截面如图1所示，该处弯管弯曲半径R=100mm，吹灰器套筒直径Φ133mm，具体结构如图1、图2所示。

2原因分析两处发生的裂纹均为沿鳍片横向裂纹,具体部均在如图1所示的弯曲内弧处。两个吹灰器均发生严重的损坏：发声腔脱落，套筒冲刷破损。
这种墙孔的水冷壁弯管在这台炉上至少有20多个，运行多年来从未发生过类似事件，从吹灰器的损坏情况来看，应该为吹灰器所用蒸汽吹至水冷壁上所致。
由于当时停备时间很短，没有割管检查进行具体的分析，只作了打磨补焊处理。从打磨情况来看，裂纹由鳍片的背火面端部延伸至管子内壁。
通过漏泄点的具体特征可以判断：①漏泄非冲刷磨损减薄所致；②必定有应力的存在才导致裂纹。
分析得到：吹灰器发声腔烧损脱落后，蒸汽即呈散射状喷入，最先将其外部套筒冲刷，然后吹至水冷壁弯管处。因吹灰器所用工质为冷段再热蒸汽，其取自冷段入口管道，经减压后温度约为280～290℃。低温的蒸汽吹至较高温度运行中的水冷壁表面，即造成热应力。由于吹灰器是间断投入的，这样每一次投入就造成一次的热应力交变。吹灰器每个班至少投入2次，反复的交变应力再加上弯管内弧部位的应力集中，最终导致裂纹。
下面就蒸汽吹至水冷壁鳍片表面造成的热应力进行估算。
该炉设计运行中的水冷壁管内式质温度为343℃，炉膛水冷壁表面热流密度为74.36kw/m2，根据以下公式：

其中：t2___管外壁温度℃
tgz___工质温度℃
β____d2/d1＝60/(60-2*6.5)=1.2765
α2____管内壁放热系数，α2＝1500w/m2℃
λ_____管子的导热系数，用内插法求得λ＝42.3w/m·℃
S_____壁厚S=6.5mm
td____鳍片端部温度℃
h____鳍片高度h=9.5mm
A____形状系数其中a=bd/bg,bd为管端鳍片宽度6mm,bg为管根鳍片宽度9.5mm。

不考虑管内壁结垢、炉内及锅内工况变化等因素，计算该处鳍片端部温度：
t2=412.69℃
td=437.3℃
利用管子热应力计算公式近似求鳍片表面受到低温蒸汽的冷却产生的热交变应力：

其中α___线膨胀系数，用内插法查算20G在437℃时的α＝1.387*10-5mm/℃
E____钢材的弹性模量，用内插法查算20G在437℃时E＝1.52＊105MPa
μ____泊桑比，取0.3
tw－tn____交变温度差

求得＝－228.9Mpa，即其产生的收缩应力与管子内工质的作用力相反。
查20G在400℃时的σs＝172Mpa,而由于温差造成的应力却远远超过其屈服极限，通过多次的循环，最终造成该处水冷壁弯管处的裂纹。
3.对策3.1对吹灰器结构进行改进，避免造成吹灰器损坏后蒸汽直接吹扫在水冷壁管上：套筒整体材质改用1Cr18Ni9Ti，壁厚改为8mm，吹灰器本体向外移50mm，套筒伸至水冷壁弯管内。
3.2利用检修机会将炉膛部分的墙孔水冷壁弯管更换为同规格无鳍片光管式弯管，这样就避免了存在鳍片端部高温及弯曲应力集中严重等情况。
3.4保证吹灰器套筒外部耐火塑料填塞密实。
3.5加强运行中的吹灰器的投运监视和管理，及时发现异常情况；定期进行吹灰器的抽出检查，对出现损坏的吹灰器及其套筒及时进行检修。
4．结束语金属部件在交变温度的作用下，会产生相当大的热交变应力，当其超过材料的强度极限时，经过反复的作用就可引起材料的高周热疲劳或低周热疲劳，最终造成裂纹。因此对于锅炉高温部件，要从设计、制造和检修等环节避免或减少引起急剧热交变应力的结构。
锅炉专业相关规程上只提及吹灰器附近管子的磨损检查，而未提及到热疲劳问题，因此从检修管理上应重视锅炉吹灰器对受热面的影响。
锅炉吹灰器的设计制造上要充分考虑到吹灰介质一旦发生非正常工作状态，对受热面管子的危害不仅仅是吹损。

参考文献
［1］陶曾毅．电厂金属材料［M］．武汉：华中理工大学出版社，1994．［2］范从振．锅炉原理［M］．北京：水利电力出