鍋爐回燃室前管板（端）裂紋成因分析與優(yōu)化措施
——以WNS型燃氣蒸汽鍋爐為例

官偉

（內(nèi)江市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，四川內(nèi)江 641000）

引言

近年來，燃氣蒸汽鍋爐因體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、檢修方便、運行穩(wěn)定、具有較高熱效率和環(huán)保性等優(yōu)點，正在不斷取代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐。WNS 型臥式內(nèi)燃濕背式燃氣蒸汽鍋爐（以下簡稱“WNS型燃氣蒸汽鍋爐”）回燃室前管板（端）由于受到制造工藝以及使用方法等因素的影響而出現(xiàn)大量裂紋的案例屢見不鮮。本文對這一問題進行深度分析，并提出相應(yīng)的解決方案，希望為其他燃氣蒸汽鍋爐解決風險、安全使用提供啟發(fā)。

1 問題的提出

我市某食品加工企業(yè)2015 年8 月安裝一臺WNS型燃氣蒸汽鍋爐，2015年9月投入運行。鍋爐基本情況如表1所示，鍋爐主要受壓部件情況如表2所示。

2018年9月企業(yè)內(nèi)部檢驗發(fā)現(xiàn)以下問題：

（1）回燃室前管板管孔區(qū)存在向外輻射狀裂紋28條，部分裂紋已從煙管管端穿過焊縫裂至管板，導致鍋水泄漏（如圖1、圖2所示）；

（2）回燃室煙氣側(cè)底部有積水（如圖1所示）；

（3）第二回程煙管進口處有白色結(jié)晶物（如圖2所示）；

（4）鍋爐水質(zhì)長期不達標。

在顯微鏡下取樣進行觀察，發(fā)現(xiàn)在孔橋附近的裂紋呈現(xiàn)條狀，主要由晶粒粗大的鐵素體和珠光體組成，其端口具有沿晶、穿晶的特性；取樣進行化學成分分析和機械性能試驗，結(jié)果顯示原母材的化學成分和機械性能符合GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》[1]要求，孔橋裂紋處的材料化學成分與原材質(zhì)無變化，但塑性降低。

2 成因分析

針對回燃室前管板（端）產(chǎn)生裂紋的原因，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、運行等方面進行分析。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

輻射熱和對流熱對W N S 燃氣蒸汽鍋爐回燃室前管板的影響，以及入口疊加效應(yīng)的影響，使WNS燃氣蒸汽鍋爐回燃室前管板成為鍋爐熱負荷之中承受溫度最高之處。查閱TBG1100MC型燃燒器手冊燃燒器功率與長度、直徑關(guān)系曲線（圖3）可知：

（1）可視火焰最大長度為5.25 m；

（2）可視火焰最大直徑為1.05 m；

表1 鍋爐基本情況

表2 鍋爐主要受壓部件情況

（3）火焰長度超過爐膽長度（爐膽長度為3.98 m）。

鍋爐爐膽直徑和長度設(shè)計得偏小，致使回燃室煙氣溫度高達近千攝氏度，加之有部分煙管的長度過長，超長部分又接觸高溫煙氣，溫度不能降低，致使管孔區(qū)出現(xiàn)短裂紋。

2.2 制造工藝方面

首先，制造單位沒有按照設(shè)計圖紙和標準控制回燃室前管板（端）長度。GB/T 16508.4-2013《鍋殼式鍋爐》規(guī)定：煙管與管板裝配時，對于與600℃以上的煙氣接觸的管板，焊接連接的煙管和拉撐管應(yīng)采取消除管板與管孔壁的間隙，且管子超出其與管板連接焊縫的長度應(yīng)符合下列規(guī)定：當煙溫大于600℃時，不應(yīng)大于1.5 mm[2]?，F(xiàn)場實際測量回燃室前管板煙管管端伸出長度在2～3 mm（如圖2所示），不符合上述規(guī)定。

其次，制造單位未按照技術(shù)圖樣和工藝文件要求，令煙管與回燃室前管板先脹管后焊接。文獻[3]給出了煙管管端裝配示意圖，如圖4所示。可以得出，煙管外壁與管孔壁之間有一定間隙，一般是0.5～0.9 mm。因為在焊接前，管板與回燃室未按要求提前脹管，而是直接焊接，因此無坡口，導致連接處管板厚度方向存在周向間隙，間隙深度與管板厚度均為20 mm，超出規(guī)格要求。

圖1 回燃室前管板泄漏、積水

圖2 回燃室前管板（端）裂紋、白色結(jié)晶物

2.3 運行規(guī)程方面

2.3.1 燃燒器火焰長度調(diào)整過長，導致火焰直接加熱管孔區(qū)

使用單位在用汽高峰時需用蒸汽量過高，蒸汽供不應(yīng)求。為折中考慮，使用單位增加了不允許的氣體輸入和噴射壓力，增加了燃燒器的火焰行程，增加了爐內(nèi)火焰長度，使得爐內(nèi)火焰燃燒到回燃室及其管孔區(qū)域，如果管孔表面溫度超過設(shè)計值，那么火焰溫度將高達1000℃以上。高溫煙氣和火焰沖刷管端，使得管端邊緣效應(yīng)變大，管端溫度局部升高，材料強度減弱。文獻[4]對鍋爐管板和焊接建立了分布模型，利用ANSYS軟件對溫度上限進行了分析，得到了圖5所示的溫度分布云圖。該模式與本文中的管板結(jié)構(gòu)相類似，從而管區(qū)溫度分布也與圖5相類似。其中，管束溫度最高，特別是管端邊緣離鍋水最遠，煙氣沖刷最嚴重，而開裂起點又主要在該處（如圖2所示）。由于管端的內(nèi)外部分成直角，因此截面面積小、強度低，煙管內(nèi)部位置就比外部更容易受到損壞。

圖3 燃燒器功率與長度、直徑關(guān)系曲線

圖4 煙管管端裝配示意圖

圖5 鍋爐管板和焊接分布模型及溫度分布云圖

2.3.2 煙管與回燃室前管板之間存在的間隙使得溫度交變應(yīng)力產(chǎn)生

在鍋爐運行過程中，由于煙管與回燃室前管板之間存有間隙，鍋爐水滲入縫隙，形成圓形水膜?；厝际仪肮馨蹇滋幍臒嶝摵勺罡撸攬A形水膜被加熱產(chǎn)生氣泡時，氣泡不會從裂縫中釋放出來。水膜逐漸變成蒸汽膜，管壁和管端的傳熱使整個蒸汽膜劣化，并從縫隙中噴出，爐水再次滲入，又形成水膜。隨著水膜出現(xiàn)的溫度變化作用于管區(qū)，焊接裂紋逐漸出現(xiàn)，并不斷擴展，導致管板及相關(guān)部位開裂。

2.3.3 鍋爐啟停頻繁，負荷波動大

查閱鍋爐運行記錄，鍋爐啟停頻繁，前管板溫度不斷升降，管區(qū)的溫度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力，管區(qū)焊接接頭產(chǎn)生熱疲勞裂紋，造成負荷波動大。

2.3.4 鍋爐內(nèi)局部區(qū)域水循環(huán)不良，管板冷卻效果不佳

鍋爐在運行過程中，管板附近的爐水會形成局部對流，使得鍋爐循環(huán)不暢。當管板附近的爐水長期處于停滯或流動緩慢的狀態(tài)時，管板無法有效冷卻，導致管板溫度過高（特別是如果過冷時熱負荷過高，管板表面的鍋爐水會使運行工況惡化）。

2.3.5 水質(zhì)不達標，受熱面嚴重結(jié)水垢

鍋爐運行期間水質(zhì)長期不達標，鍋爐汽水分界面以下普遍結(jié)有水垢，水垢厚度達1～2 mm，其中回燃室前管板水側(cè)結(jié)垢較嚴重，此處也正是水循環(huán)不暢處，它會在煙管外壁的受熱面和管板的水側(cè)造成較厚的水垢。由于水垢的導熱系數(shù)只有鋼的1/20～1/50，因此管端無法可靠冷卻。管端處于過熱狀態(tài)，容易就地萌生裂紋。

3 優(yōu)化措施

基于第2章的原因分析，提出以下優(yōu)化措施，以有效防止裂紋的產(chǎn)生，保證鍋爐安全運行。

3.1 優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制鍋爐內(nèi)溫度

優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計，使燃燒器與爐膽相匹配，以降低回燃室煙氣溫度及熱負荷，降低回燃室前管板裂紋風險?；厝际业脑O(shè)計溫度宜控制在900℃左右。

同時，為了減小回燃室前管板煙管的延伸長度，對鍋爐高溫區(qū)管板進行了改進和嘗試（如圖6所示），取得了良好的管端冷卻效果[5]。

圖6 高溫區(qū)管板改進設(shè)計

此外，在回燃室前管板煙氣側(cè)設(shè)置30～60 mm耐火隔熱層，防止煙氣直接沖刷管板。耐火隔熱層可采用氧化鋁耐火水泥，管端可加耐熱短管（可采用鋼合金耐熱鋼或耐熱高溫陶瓷管），以降低管端的熱量，防止其過熱產(chǎn)生熱疲勞，并對保溫層起到支撐作用。

3.2 加強鍋爐安裝環(huán)節(jié)的監(jiān)督檢驗

在鍋爐安裝環(huán)節(jié)監(jiān)督檢驗中，監(jiān)督檢驗人員可以要求鍋爐安裝單位打開后煙箱檢查孔，檢查回燃室前管板煙管管端伸出長度是否滿足標準要求。若煙管管端伸出長度超標，應(yīng)通知廠家專業(yè)技術(shù)人員到場將超標的煙管管端打磨切除，并經(jīng)無損檢測（滲透檢測）合格后，對鍋爐進行水壓試驗，驗證有無泄漏。水壓試驗合格后，才能安裝后煙箱檢查孔[6]。

以上是為了防止鍋爐制造企業(yè)在制造環(huán)節(jié)疏忽大意，沒有嚴格控制回燃室前管板煙管管端長度，而通過監(jiān)督檢驗，可以將此類缺陷消除在安裝環(huán)節(jié)。

3.3 強化使用單位對鍋爐運行的管理

使用單位應(yīng)嚴禁鍋爐超負荷運行，應(yīng)嚴格按照鍋爐設(shè)計參數(shù)調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)火焰，應(yīng)加強燃燒機的日常維護和保養(yǎng)。同時，提升鍋爐水質(zhì)管理，加強水質(zhì)監(jiān)測[7]。

4 結(jié)論及建議

綜合全文所述，W NS 型燃氣蒸汽鍋爐裂紋事件的產(chǎn)生原因包括鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、鍋爐制造工藝不合理，以及由上述因素導致的運行故障。筆者認為造成本次事故的主要原因為回燃室前管板（端）煙管管端伸出長度超標、使用單位頻繁啟停鍋爐、相關(guān)人員在燃燒器入口私自增加天然氣壓力等；次要原因是鍋爐水循環(huán)不暢、前管板（端）水側(cè)結(jié)垢等。

建議在鍋爐設(shè)計、制造、運行等環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)，有效防止回燃室前管板（端）裂紋的出現(xiàn)，以延長鍋爐的使用壽命，保證鍋爐安全穩(wěn)定運行。