某电厂350MW超临界直流锅炉为超临界参 数、单炉膛、一次中间再热、直流全悬吊结构Π型锅 炉，采用前后墙对冲燃烧方式。其中垂直段水冷壁 材质为15CrMoG，管子外径31.8mm、厚6.2mm，节 距为57.5mm；H型鳍片材质为12Cr1MoVR，厚6 mm。在停机检修期间，发现水冷壁垂直段H型鳍片 大量开裂，部分裂纹已扩展至鳍片焊缝处，见图 1所 示。为找出水冷壁H型鳍片开裂原因，防止同类失 效情况再次发生，本文对开裂的H型鳍片进行检验分析。

图 1(Figure 1)

图 1 H型鳍片裂纹现场形貌

对开裂的水冷壁H型鳍片进行宏观形貌检查， 见图 2、图 3。可以看出，开裂的鳍片外表面高温氧 化严重，氧化皮较厚，呈蓝黑色，裂纹与管子轴向垂 直，并已扩展至焊缝区。

图 2(Figure 2)

图 2 H型鳍片宏观形貌

图 3(Figure 3)

图 3 开裂的H型鳍片纵向截面宏观形貌

对开裂的水冷壁H型鳍片取样进行化学成分检 测，检测数据见表 1。结果表明，鳍片的各化学成分 中，C质量分数偏低，其余元素质量分数符合《GB 713—2008锅炉和压力容器用钢板》^[1]的技术要求。

表 1(Table 1)

表 1 开裂水冷壁H型鳍片各化学成分质量分数    %

表 1 开裂水冷壁H型鳍片各化学成分质量分数   %

对开裂的水冷壁H型鳍片进行显微组织分析，结果见图 4，可以发现裂纹已扩展至鳍片与管子母 材的焊缝处，裂纹有分叉，尖端圆钝，内部充满高温 氧化产物；裂纹断续扩展，具有典型的热疲劳裂纹 特征^[2]。鳍片由于高温氧化，出现严重的脱碳和老 化现象（见图 5）。水冷壁钢管母材组织良好，基本 未老化（见图 6）。

图 4(Figure 4)

图 4 裂纹微观形貌

图 5(Figure 5)

图 5 H型鳍片显微组织

图 6(Figure 6)

图 6 水冷壁钢管母材显微组织

利用数值仿真软件建立水冷壁H型鳍片温度场 分析模型，其中水冷壁向火侧热负荷为105kW/m²， 管内工质温度400℃，工质与水冷壁管内壁对流换 热系数为28.5kW/m²K，水冷壁背火侧敷有保温材 料，视为绝热体^{[3, 4, 5]}，分析结果如图 7所示。可以看 出，整个鳍片区域温度分布极不均匀，鳍片中心温 度最高，根部温度较低，最大温差达到397℃，使得 鳍片内部因热膨胀不一致而产生较大的热应力。 此外，H型鳍片最高温度达到800℃左右，远远超过 12Cr1MoVR的许用温度（565℃）^[6]，使鳍片发生严 重脱碳和老化。

图 7(Figure 7)

图 7 开裂H型鳍片温度分布图

通常，鳍片中心温度与鳍片宽度的平方成正 比，与鳍片厚度成反比^[7]。为了研究H型鳍片厚度 对其温度分布的影响规律，找出鳍片的最佳厚度， 建立了不同厚度的鳍片温度场分析模型，计算不同 厚度鳍片最高许用温度，结果见表 2。由表 2可知， 随着鳍片厚度的增加，鳍片最高温度不断降低，当 其厚度增至19mm左右时，鳍片最高温度为562℃， 已降至其许用温度范围内。图 8为鳍片厚度为19 mm时鳍片区域温度场分布情况，可以看出，鳍片温 度分布较为均匀，最大温差减小为162℃，这样可以 有效减小鳍片内部热应力，提高机组的安全稳定 性。

表 2(Table 2)

表 2 不同厚度鳍片的最高许用温度    ℃

表 2 不同厚度鳍片的最高许用温度   ℃

图 8(Figure 8)

图 8 厚度为19mm的H型鳍片温度分布图

H型鳍片化学成分检测结果表明，开裂鳍片中 C质量分数低于标准要求，结合其表面出现的严重 氧化特征，可以判定为高温氧化脱碳所致。 由数值仿真结果可知，H型鳍片温度分布极不 均匀，中心区域温度最高，远远高于其许用温度。

由显微组织检测可知，H型鳍片由于高温氧化 出现严重的脱碳和老化现象，而水冷壁母材组织良 好，基本未老化。

根据以上数据推断，一方面，由于鳍片的老化 和脱碳，使其综合力学性能明显下降。另一方面， 由于鳍片宽度过大，鳍片中心部位所吸收的辐射热 不能及时被水冷壁中的工质吸收，使鳍片中心区域 与根部形成温度差，产生热应力，在机组频繁参与 调峰的过程中，鳍片温度场不断变化，老化的鳍片 在交变热应力的作用下，最终因热疲劳而开裂。 4 结论及建议

本次水冷壁H型鳍片开裂的主要原因是鳍片较 宽，厚度设计过小，致使鳍片不能被有效冷却，导致 其发生严重老化和脱碳，在交变热应力的作用下因 热疲劳而开裂。对此提出以下建议：

（1）更换全部开裂的H型鳍片，并对裂纹末端 部位进行无损探伤，防止裂纹在应力作用下继续扩 展至母材，导致其开裂泄漏。

（2）改变鳍片厚度或进行堆焊使其有效厚度 增至19mm以上。

（3）若鳍片更换为耐热不锈钢或其他材料，要 合理消除不同材料之间线膨胀系数不一致带来的 影响。