臥式內(nèi)燃鍋爐管板裂紋原因分析及處理措施

徐火力，丁勁松

（廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，福建廈門 361004）

0 引言

廈門某酒店3 臺(tái)WNS3-1.0-Y（Q）型鍋爐（1#—3#爐），制造單位為杭州某設(shè)備公司，2008 年3 月制造，2009 年6 月投用。鍋爐額定蒸發(fā)量3 t/h，額定蒸汽壓力1.0 MPa，額定蒸汽溫度184℃，燃料為天然氣，采用鍋外水處理。鍋筒、管板材料為16Mng，厚度為16 mm。鍋爐結(jié)構(gòu)采用臥式回燃式濕背鍋爐形式，爐膽為回燃室，前管板受熱溫度較高，工作條件較差。

1 鍋爐裂紋情況

2019 年5 月，對(duì)2#、3#鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)過(guò)程中，檢驗(yàn)員發(fā)現(xiàn)2#爐前管板有14 處裂紋（圖1），3#爐前管板有5 處裂紋（圖2）。其中管板孔橋裂紋最長(zhǎng)25 mm，煙管端口裂紋最長(zhǎng)22 mm，裂紋周邊有明顯水垢及水痕，即裂紋為穿透性裂紋。檢驗(yàn)員立即開(kāi)具檢驗(yàn)意見(jiàn)通知書，告知使用單位2#、3#鍋爐應(yīng)停止使用并進(jìn)行整改。同時(shí)，針對(duì)2#、3#鍋爐同時(shí)出現(xiàn)管板裂紋的情況，推斷還在使用運(yùn)行的1#鍋爐可能也存在管板裂紋的情況。因此，要求使用單位立即停止使用1#鍋爐并對(duì)鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1#鍋爐前管板存在3 處裂紋（圖3）。通過(guò)鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，避免了鍋爐發(fā)生事故。

圖1 2#爐前管板

圖2 3#爐前管板

圖3 1#爐前管板

2 裂紋原因分析

2.1 進(jìn)一步檢查缺陷部位的情況

2.1.1 資料審查

調(diào)取并查閱3 臺(tái)鍋爐歷年內(nèi)外部檢驗(yàn)報(bào)告、水處理監(jiān)督檢驗(yàn)報(bào)告、出廠資料、鍋爐運(yùn)行記錄和水質(zhì)化驗(yàn)記錄等資料。發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題。

（1）鍋內(nèi)水垢較厚，局部達(dá)到2.0 mm，鍋底積存大量垢渣。

（2）鍋水全堿度、相對(duì)堿度長(zhǎng)期偏高，全堿度有時(shí)達(dá)到40 mmol/L，遠(yuǎn)高于上限26 mmol/L，相對(duì)堿度遠(yuǎn)高于上限0.2[1]。

（3）鍋爐煙管與管板焊接未采用先脹后焊的工藝，如圖4 所示。

圖4 管板與煙管連接結(jié)構(gòu)

2.1.2 外觀檢查和檢測(cè)分析情況

對(duì)缺陷鍋爐管板進(jìn)行外觀檢查、硬度和光譜檢測(cè)、水垢和煙管泄漏處灰垢混合物取樣分析，檢查情況如下：

（1）管板無(wú)變形，管端伸出長(zhǎng)度符合要求。

（2）從鍋筒內(nèi)部可看到煙管與管板之間存在明顯縫隙，如圖5 所示。

圖5 鍋內(nèi)管板與煙管連接

（3）管板裂紋從里向外發(fā)展，裂口陳舊且附近有黑色氧化鐵。

（4）管板裂紋周圍硬度、光譜未見(jiàn)異常。

（5）鍋內(nèi)水垢為碳酸鹽和硅酸鹽混合物，灰垢混合物堿含量比例高，且含有氧化鐵物質(zhì)。

2.2 產(chǎn)生缺陷的原因分析

通過(guò)觀察管板裂紋形態(tài)和位置，綜合以上資料審查、外觀檢查和檢測(cè)分析結(jié)果。判斷該管板裂紋主要為苛性脆化應(yīng)力腐蝕裂紋。產(chǎn)生裂紋的主要原因如下：

（1）前管板（高溫側(cè)焊接管板）的煙管端口未采用先脹后焊工藝，煙管與管板間存在間隙。侵入間隙內(nèi)的鍋水不斷濃縮，由于爐水一般保持一定堿度，在間隙中鍋水流動(dòng)不暢，被不斷濃縮，堿度不斷提高，大大超過(guò)允許限值，為產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕創(chuàng)造了條件。侵入煙管與管板間隙中的水不能進(jìn)行良好循環(huán)，局部空間內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，壁溫升高。蒸汽沖出間隙后，溫度相對(duì)較低的鍋水又進(jìn)入間隙，如此反復(fù)一熱一冷，造成管板間隙處產(chǎn)生高度集中的交變熱應(yīng)力。在高度集中的應(yīng)力和堿性環(huán)境的共同作用下，造成管板堿性脆化腐蝕，導(dǎo)致管板裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，即苛性脆化。

（2）鍋爐運(yùn)行時(shí)水處理不合格，鍋水全堿度、相對(duì)堿度過(guò)高，更易造成鍋爐苛性脆化。

（3）管板內(nèi)側(cè)覆蓋較厚水垢，使管板得不到可靠冷卻。管孔處高溫金屬不時(shí)受到鍋水急冷收縮，受到周圍金屬的約束，產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力而在管孔邊緣開(kāi)裂，并擴(kuò)展到外側(cè)。

（4）鍋爐運(yùn)行啟動(dòng)頻繁，升壓降壓等負(fù)荷驟然變化，使工況最差的管板應(yīng)力過(guò)于集中，應(yīng)力變化過(guò)于頻繁。

3 建議修復(fù)方案

（1）根據(jù)TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定，對(duì)于因苛性脆化產(chǎn)生的裂紋，只能采用挖補(bǔ)或者更換部件的方式進(jìn)行處理[2]。因此，建議采用整體更換前管板的方式進(jìn)行修理。

（2）修理時(shí)建議煙管與管板之間采用先脹后焊，焊后再脹的工藝方法。借助金屬的塑性變形來(lái)消除間隙，再用焊后再脹的方法來(lái)消除因焊接而形成的間隙。

（3）嚴(yán)格控制煙管端口伸出管板長(zhǎng)度。根據(jù)GB/T 16508.3—2013《管殼鍋爐》及有關(guān)鍋爐制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，當(dāng)管板與600 ℃以上的煙氣接觸時(shí)，其煙管端口伸出焊縫的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)1.5 mm[3]。

（4）由于鍋爐房場(chǎng)所狹小，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更換管板、焊接煙管等一系列修理工作，工作難度大，維修質(zhì)量難以保證。建議整體拆除鍋爐，運(yùn)回鍋爐制造廠進(jìn)行維修，同時(shí)委托當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的修理監(jiān)督檢驗(yàn)。

4 修復(fù)結(jié)果

維修單位（鍋爐制造廠）和使用單位采納了上述建議。鍋爐運(yùn)回制造廠進(jìn)行維修，嚴(yán)格按照修理方案進(jìn)行維修施工，維修質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)出具了修理監(jiān)督檢驗(yàn)合格報(bào)告。鍋爐維修質(zhì)量得到了很好保證，3 臺(tái)鍋爐很快重新投用。

5 防范措施

通過(guò)分析臥式內(nèi)燃鍋爐管板產(chǎn)生裂紋的原因，找出管板產(chǎn)生裂紋缺陷原因。由苛性脆化導(dǎo)致的缺陷后果非常嚴(yán)重，輕者使鍋爐不能使用，重者會(huì)引發(fā)鍋爐爆炸，造成嚴(yán)重事故。因此，為確保鍋爐安全可靠運(yùn)行，建議對(duì)臥式內(nèi)燃鍋爐采取以下相應(yīng)的防范措施。

（1）嚴(yán)把鍋爐制造、修理質(zhì)量關(guān)。在鍋爐制造、修理過(guò)程中，煙管與管板的連接結(jié)構(gòu)，宜采用焊前先預(yù)脹，徹底消除煙管與管板間隙后再進(jìn)行煙管與管板焊接。嚴(yán)格控制管子伸出管端焊縫的長(zhǎng)度，焊后再進(jìn)一步施脹，以消除因焊接形成的間隙，即采用“脹—焊—脹”的工藝，如圖6 所示。

圖6 管板與煙管脹接焊接結(jié)構(gòu)

（2）加強(qiáng)水處理管理工作。進(jìn)一步完善水處理規(guī)章制度和操作規(guī)程，提高作業(yè)人員的操作水平及責(zé)任心；保持水處理設(shè)備及化驗(yàn)儀器設(shè)備的完好性；做好鍋爐水質(zhì)分析工作，確保水質(zhì)符合GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的相關(guān)要求，避免和減少水垢的生成，同時(shí)嚴(yán)格控制鍋水堿度，維持鍋水相對(duì)堿度小于0.2[1]。

（3）加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行管理工作。在鍋爐運(yùn)行中，負(fù)荷變化要平穩(wěn)，禁止超負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)盡量減少鍋爐啟停次數(shù)，以減少應(yīng)力變化；防止鍋爐缺水，確保受熱面得到可靠冷卻。