刁云鵬，李文遠，張 良，劉兆千，劉維岐

(1.國電電力發(fā)展股份有限公司大連開發(fā)區(qū)熱電廠，遼寧 大連 116600；2.國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210023)

0 引言

某電廠350MW機組鍋爐型號HG-1125/25.4-HM2型鍋爐，一次中間再熱、單爐膛、墻式切圓煤粉燃燒器、尾部雙煙道、煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、平衡通風(fēng)、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)π型超臨界本生直流鍋爐。鍋爐頂棚的標高為64.8m，前墻水冷壁出口集箱標高為66.1m，側(cè)墻水冷壁出口集箱為單根，長度為14.49m，管子外徑為273mm，壁厚65mm，材質(zhì)為15 CrMoG，頂棚標高為65.8m，單側(cè)入口管子布置265根，管子外徑為32mm，壁厚6.2mm，材質(zhì)為12 Cr1MoVG，管間節(jié)距為55mm。左、右側(cè)墻水冷壁出口集箱出口聯(lián)接管各5根，聯(lián)接管外徑為168mm，壁厚為35mm，材質(zhì)為15CrMoG，兩側(cè)集箱各由19件剛性吊桿懸掛在鍋爐鋼結(jié)構(gòu)支吊梁上。機組運行期間發(fā)生鍋爐受熱面泄漏事件，嚴重影響機組安全運行。

1 水冷壁出口集箱裂紋、泄漏原因分析

1.1 主要原因

近年來，隨著風(fēng)電不斷發(fā)展，火電機組年利用小時數(shù)不斷降低[1]。兩臺機組自2012年投運后，為配合風(fēng)電，機組運行期間受調(diào)度調(diào)峰指令頻繁，需要快速升降負荷。2014年以來，風(fēng)電負荷率大大提高，負荷經(jīng)常由260MW直降至165MW，負荷升降率也按省調(diào)要求提高到4.5MW/min[2]。由于機組運行期間，頻繁且快速升降負荷，出口集箱水冷壁角焊縫受到交變應(yīng)力影響較大，使側(cè)墻水冷壁出口集箱產(chǎn)生金屬疲勞[3]，逐步在集箱管座角焊縫處產(chǎn)生裂紋和泄漏，甚至集箱母材亦產(chǎn)生裂紋[4]。

1.2 其他原因

鍋爐兩側(cè)墻水冷壁管子裂紋情況為：前側(cè)管子裂紋普遍向前，后側(cè)管子裂紋普遍向后，與集箱膨脹方向一致[5]。側(cè)墻水冷壁出口集箱是單根，機組運行期間，受溫度變化影響，與入口管子膨脹不一致，管子膨脹受阻，向兩側(cè)拉伸[6]；且入口管為膜式鰭片連接，光管距離短，僅為400mm，不能充分吸收管子所受的膨脹力，最終導(dǎo)致入口管子及集箱母材拉裂、泄漏[7]。

2 鍋爐側(cè)墻水冷壁出口集箱技術(shù)改造

2.1 應(yīng)力分析

集箱管座與鰭片終止處的所需最小高度由公式(1)計算[4]：

(1)

式中：Ec為冷態(tài)彈性模量；D為管子外徑；△為最大熱態(tài)膨脹差，由以下公式(2)計算得出；Sa用于溫差應(yīng)力的許用應(yīng)力，由以下公式(3)計算得出。

(2)

Sa=0.6×[1.25×(Sc+Sh)-S1-S2]

(3)

式中：L為集箱長度；γ集箱為集箱運行溫度下的線膨脹系數(shù)；γ管子為水冷壁管子運行溫度下的線膨脹系數(shù)；Sc為冷態(tài)許用應(yīng)力；Sh為熱態(tài)許用應(yīng)力；S1為內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力，由以下公式(4)計算；S2為自重引起的軸向應(yīng)力，由以下公式(5)計算[8]。

(4)

(5)

式中：P為設(shè)計壓力；d為管子內(nèi)徑；G為爐墻重量；N為直管子根數(shù)。

按上述理論計算，集箱與管墻最大允許溫差與集箱長度和集箱與鰭片終止處高度差有關(guān)。原設(shè)計的集箱長度為14.489m，集箱與鰭片終止處高度差為400mm，計算得管墻與集箱最大允許溫差為15℃。鍋爐運行負荷變化過快，容易導(dǎo)致集箱和管墻的溫差超出設(shè)計允許值，導(dǎo)致管座熱應(yīng)力超過許用應(yīng)力，長期的快速升降負荷使集箱管座處出現(xiàn)疲勞裂紋。

通過理論計算并結(jié)合設(shè)備運行情況，提出了集箱分段和集箱抬高的改造方案。其中集箱分段的目的是通過降低集箱長度，減小管墻與集箱的最大熱態(tài)膨脹差。集箱抬高的目的是增加集箱與鰭片終止處高度差，通過增加光管長度來增加管接頭的柔性，提高吸收膨脹差的能力。

2.2 集箱分段改造

原側(cè)墻水冷壁出口集箱為單根集箱，長度為14.489m，因整根集箱過長、膨脹不暢。根據(jù)集箱出口導(dǎo)汽管分布情況，將整根集箱改造為單側(cè)3個獨立的出口集箱，分為前段、中段、后段集箱，以改變集箱膨脹中心的位置，最大限度的減少集箱管座根部的熱應(yīng)力。其中前段集箱配置一根出口導(dǎo)汽管，中段和后段集箱各配置兩根出口導(dǎo)汽管。

2.3 集箱抬高改造

根據(jù)原設(shè)備圖紙及現(xiàn)場實際勘察結(jié)果，側(cè)墻改造后的前段集箱可抬高400mm，標高由65400提高至65800mm；后段集箱可抬高300mm，標高由65400提高至65700mm。經(jīng)計算，集箱抬高后，光管長度增長，能夠充分吸收管子膨脹。因此，確定改造后的集箱高度為前段、中段集箱抬高400mm；后段集箱抬高300mm。

2.4 集箱支吊架改造

集箱改造后，吊架承重?zé)o變化，因此吊架強度不變；長度發(fā)生變化，花籃螺母上部吊桿對應(yīng)縮短，更換新吊桿，重新連接固定即可。

3 結(jié)語

鍋爐側(cè)墻水冷壁出口集箱改造施工于2015年6月結(jié)束，改造范圍內(nèi)設(shè)備至今未發(fā)現(xiàn)類似缺陷。徹底解決了集箱入口管子膨脹受阻、應(yīng)力集中的問題，消除了機組運行或啟停期間因溫度變化引起的入口管子根部焊縫及集箱母材裂紋、泄漏的重大設(shè)備隱患，尤其是鍋爐頂棚大包內(nèi)側(cè)墻水冷壁出口集箱及管座焊縫頻繁泄漏、集箱管間母材裂紋的問題，為機組長期處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)提供了必要條件，保障機組冬季供暖的可靠性。同時機組檢修期間，鍋爐側(cè)墻水冷壁出口集箱不再需要整體打磨、檢測、消缺，降低了檢修成本，縮短了鍋爐整體檢修工期。