1、前 言
某鍋爐型號為WG2220/10.3 -1，單鍋筒、自然循環(huán)、煤粉鍋爐，爐膛采用7.6×7.6大切角正方形形式，四周采用管徑為60×5全焊膜式水冷壁密封，由于是大切角，角部水冷壁受熱工況也得到了改善，受熱更加均勻，從上至下看外部布置了9圈水平剛性帶，用以對水冷壁的加固，該剛性帶隨水冷壁一起向下自由膨脹。爐膛正四角布置了直流式燃燒器，切圓燃燒，切圓直徑為694 mm。從1992年運(yùn)行至今，水冷壁四角從9.98~19.5 m處不同程度地裂開，最長裂口達(dá)10 m左右，裂口的部位見水冷壁一個角的布置圖。
該部位檢測的結(jié)果是：因焊接質(zhì)量差而引起有弧坑及弧坑引發(fā)的水平方向的裂紋、飛濺及由飛濺引起的裂紋以及咬邊、夾渣等，密封條開裂全部沿焊接缺陷發(fā)展而成。而在角部其它沒有裂開的部位也達(dá)全部五級球化以上，該種情況在爐膛的四角特別是在燃燒器附近更加明顯。因?yàn)榱芽谳^大，爐膛進(jìn)冷風(fēng)多，不但影響鍋爐的效率，而且使鍋爐燃燒不穩(wěn)。為了防止情況的惡化，在停爐時對該部位進(jìn)行了多次補(bǔ)焊，但補(bǔ)焊了以后同樣會裂開。為此，深入分析該裂紋出現(xiàn)的真正原因，以求找出解決辦法，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
2、水冷壁裂口原因分析
2.1水冷壁管節(jié)距選定問題
鍋爐的爐膛既是燃燒設(shè)備，又是吸熱設(shè)備。水冷壁膜片在接受爐內(nèi)高溫輻射熱的同時，通過管內(nèi)流動的介質(zhì)加以冷卻，只有當(dāng)傳導(dǎo)和輻射平衡，并處于材料的許用溫度下，膜片才不致被燒壞。我國鍋爐爐膛熱力計算、設(shè)計基本上采用的是“相似理論”的分析方法，并通過應(yīng)用大量試驗(yàn)而綜合得出的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，也就是說，根據(jù)已有爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸（對原有鍋爐因煤種變化等原因需要進(jìn)行校核計算時）和根據(jù)預(yù)先所擬定好的結(jié)構(gòu)尺寸的布置圖（設(shè)計新鍋爐時）確定爐膛的結(jié)構(gòu)特性，校核爐膛出口煙氣溫度，其是否在合理的范圍內(nèi)。由于結(jié)構(gòu)尺寸是預(yù)先確定的，水冷壁管節(jié)距是由經(jīng)驗(yàn)公式中獲得的，它的選取與鍋爐蒸汽參數(shù)、水冷壁結(jié)構(gòu)以及爐墻結(jié)構(gòu)有關(guān)。
220 t/h燃煤鍋爐是一種經(jīng)典的爐型，再加上它為全焊膜式水冷壁，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，相對節(jié)距選s/d大約在1.3~1.35之間，而水冷壁管直徑選為∮60×5的無縫鋼管較為合適。據(jù)計算s：78~81 mm，從圖1可看出在水冷壁的前后左右四個面的s=80 mm，在選定的范圍之內(nèi)，而在水冷壁的角部s=113 mm，超過經(jīng)驗(yàn)公式的選定值。原因是設(shè)計者在設(shè)計時考慮到角部離熱源遠(yuǎn)，輻射弱而加大了安裝距離，但該鍋爐爐膛采用的是大切角正方形形式，設(shè)計時只考慮了火焰充滿度較好和避免水冷壁結(jié)焦的問題，而沒有過多地考慮角部也同樣應(yīng)該有傳熱和吸熱平衡的問題，這導(dǎo)致該部位明顯存在超溫現(xiàn)象。
根據(jù)鰭片傳熱原理，鰭片越寬，水冷壁壁管的溫度越大，盡管水冷壁的角部采用了12CrlMoV的材料，但當(dāng)它的節(jié)距從80 mm增加到113 mm，還是超過了鱔片本身的許用溫度，即580℃。這就是為什么鰭片會龜裂的原因。
2.2工地焊接工藝問題
鍋爐水冷壁由于構(gòu)件太大不能在制造廠整體焊接，只能角部6根管在制造廠組裝好后，在工地組裝。當(dāng)工地組裝時，采用手弧焊，雖然焊接位置既是立焊，又是低合金鋼12CrlMoV的角焊縫，運(yùn)行時溫度很高，但焊接工藝并沒有作嚴(yán)格的要求，甚至還籠統(tǒng)標(biāo)為現(xiàn)場角焊，焊條由焊接者自己決定，因焊接工藝規(guī)定不規(guī)范，焊接質(zhì)量難于保證，焊接缺陷多，運(yùn)行時間稍長，缺陷突現(xiàn)。
2.3水平剛性帶安裝質(zhì)量問題
該鍋爐的水冷壁膜片規(guī)格為53 mm×5 mm，但它的抗干擾性較差，為增加其剛性和抗爆能力而從上到下布置了9道水平剛性帶，該剛性帶主要由工字鋼、連接板和銷子組成，水冷壁和水平剛性帶之間通過梳型板和支撐板連接，支撐板直接焊在水冷壁的膜片上，結(jié)構(gòu)見圖1。在角部與水冷壁的連接只有兩套，該水冷壁設(shè)計時在前后左右側(cè)每隔12根水冷壁管有3套連接裝置，而角部17根管只有3套裝置。停爐檢查，還發(fā)現(xiàn)水平剛性帶的圓柱銷全部斷裂，根本沒有起到增加剛性和抗爆的作用。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)水冷壁瞬時超溫時熱應(yīng)力達(dá)240 MPa，如此高的應(yīng)力只有3個連接板和5 mm厚的鋼板來承擔(dān)，因此該部位的連接板非常容易斷，角部焊縫出現(xiàn)裂口。
3、改進(jìn)措施
3.1規(guī)范角部節(jié)距的安裝
既然經(jīng)驗(yàn)公式推薦s/d：1.3~1.35之間，在沒有特殊保證下不應(yīng)隨便改動，因此設(shè)計必須選s=78~ 81 mm之間，鑒于其它部位無過熱跡象，為了制造、安裝方便選用與其它部位水冷壁一樣尺寸，即s=80 mm,厚度為5 mm。但減少了膜片寬度，相對來說管子數(shù)量增加，為保證水循環(huán)暢通，可考慮在該部位減小管徑，設(shè)單回路，可以較好地改變膜片過熱的現(xiàn)象。
3.2制定嚴(yán)格的焊接工藝，防止焊接裂紋，提高焊接質(zhì)量
在制作手弧焊工藝時，因?yàn)榻宇^的形式、焊件材料和厚度、焊接位置這四個參數(shù)一定后，必須包括：焊接材料、預(yù)熱溫度、熱處理溫度3個參數(shù)。當(dāng)焊件材料一定時，焊縫金屬的成分和性能主要決定于焊接材料，通過選用不同的焊接材料，可以改變和調(diào)整焊縫的成分，因此選用正確焊接材料，對于保證焊縫質(zhì)量特別重要，而預(yù)防焊接裂紋，選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度又起著非常決定的因素。因此焊接時除滿足圖1中的條件外，還必須詳細(xì)規(guī)定焊接材料，焊接條件。
3.2.1選擇正確的焊接材料
選擇正確的焊條：12CrlMoV為熱強(qiáng)鋼，抗拉強(qiáng)度為480 MPa，為保證焊接接頭的高溫性能，按照焊件材料與焊接材料選用同一強(qiáng)度等級基本原則選用焊條，使焊成的焊縫與母材強(qiáng)度一致而同一強(qiáng)度等級的酸、堿性焊條；根據(jù)該母材在焊接過程中容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋特點(diǎn)，選用抗裂性較好的堿性焊條E5015。
3.2.2焊前預(yù)熱
預(yù)熱是防止焊接裂紋的有效工藝措施，它能減少溫差和減慢冷卻速度，這兩者是降低焊接應(yīng)力的關(guān)鍵，但它必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)，特別是要控制預(yù)熱溫度的上限，不能認(rèn)為預(yù)熱溫度越高越好，預(yù)熱溫度太低達(dá)不到預(yù)防產(chǎn)生焊接裂紋的效果，但過高的預(yù)熱溫將使材料變脆，對結(jié)構(gòu)的性能十分不利。該水冷壁膜片高度較大，不可能整體加熱，可采取局部加熱，即在焊縫及其兩側(cè)不少于80 mm處進(jìn)行加熱，也可更長些，但不允許小于80 mm,因?yàn)榧訜釁^(qū)太窄會造成新的溫差應(yīng)力。預(yù)熱溫度為150~ 200℃，不能太快，要均勻，并要求整條焊縫的預(yù)熱溫度一致。
3.2.3增加水冷壁與水平剛性帶連接套的數(shù)量
水冷壁與水平剛性帶的連接套是考慮爐膛爆炸和水冷壁管受熱不均勻而產(chǎn)生應(yīng)力設(shè)計的，實(shí)際運(yùn)行來看前后左右部位完好無損，但在角部這個細(xì)節(jié)部位卻忽略了，從其連接套個數(shù)看角部數(shù)量較少。為了加強(qiáng)角部剛性另外增加連接套，即每個角部處增加兩套，從上至下共增加18套，并且在裝好膜片和連接板后焊死水平剛性帶的銷子，進(jìn)行二次加固。
3.3規(guī)范運(yùn)行操作
3.3.1嚴(yán)格控制變負(fù)荷速率
如果負(fù)荷變化過快，水冷壁壁溫將大幅度波動，存在局部超溫及管間溫差加大，使鰭片所受的應(yīng)力突然加大。特別是停爐期間防止水冷壁工質(zhì)溫度突變，即由原運(yùn)行操作在停爐時退高加運(yùn)行，改為高加滑退，使給水溫度在停爐過程中仍保持較高溫度，減少與管壁的溫差，同時采用分段熱爐放水的方法，避免熱爐放水時水溫降低過快。
3.3.2加強(qiáng)燃燒調(diào)整和泄漏監(jiān)測
利用煤粉濃度在線監(jiān)測裝置，合理調(diào)整燃燒，及時發(fā)現(xiàn)處理風(fēng)粉異常現(xiàn)象，為防止因燃燒工況不良，爐內(nèi)熱偏差過大而造成水冷壁局部溫度升降太快，產(chǎn)生的熱應(yīng)力過大。防止水冷壁泄漏，當(dāng)水冷壁泄漏時．利用泄漏監(jiān)測儀監(jiān)測，做到早發(fā)現(xiàn)早停爐，避免因泄漏使壁溫突變。
3.3.3保證爐膛負(fù)壓測定的準(zhǔn)確及時，避免爐膛爆然，保證爐膛負(fù)壓測定的準(zhǔn)確及時而打正壓，保證防爆門正常動作，防止?fàn)t膛因突然增加的壓力使膜片撕開。
4、結(jié)語
通過規(guī)范技術(shù)操作及技術(shù)改造，爐膛熱負(fù)荷均勻程度提高，壁溫波動幅度和溫差明顯下降，通過消除了結(jié)構(gòu)上的不合理、改善焊接工藝，從根本上消除、改善熱應(yīng)力及應(yīng)力集中情況，富通新能源除了銷售生物質(zhì)鍋爐外，還銷售生物質(zhì)鍋爐燃燒專用的生物質(zhì)顆粒燃料，生物質(zhì)顆粒燃料主要由木屑顆粒機(jī)壓制生產(chǎn)而成。
