一起余熱鍋爐煙管裂紋事故的成因及對(duì)策

劉 恒* 李杜偉 張井志

（1.泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 2. 山東大學(xué)熱科學(xué)研究所）

0 引言

余熱鍋爐是化工企業(yè)常用的余熱回收裝置，在廢熱利用、節(jié)能降耗等方面有著重要作用[1]。某化工廠的廢水廢渣焚燒爐尾部煙道處裝設(shè)了一臺(tái)余熱鍋爐，型號(hào)為Q6.5/650-2.2-1.0，制造日期為2014年1月，并于同年4月投入使用，用于回收焚燒爐的余熱。其額定煙氣溫度為650 ℃，額定蒸發(fā)量為2.2 t/h，額定蒸汽壓力為1.0 MPa。2020年3月，檢驗(yàn)人員對(duì)鍋爐內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)管板發(fā)生泄漏，與管板連接的11根煙管角焊縫上存在裂紋，如圖1所示。缺陷分布情況如圖2所示。焊縫裂紋沿徑向開(kāi)裂，長(zhǎng)度為9～15 mm，并延伸至煙管，呈軸向開(kāi)裂。

圖1 余熱鍋爐前管板煙管焊縫裂紋情況

圖2 前管板處裂紋煙管分布圖（黑色實(shí)心圓為裂紋煙管）

該余熱鍋爐上游裝置為化工廠的廢水廢渣焚燒爐。廢水主要成分為甲苯、甲醇和乙醇，廢渣則是生產(chǎn)廢料。筆者查閱運(yùn)行記錄，近期焚燒爐排煙溫度為950 ℃左右。

該余熱鍋爐為B級(jí)鍋爐，管板材質(zhì)為20 #，壁厚為16 mm。煙管材質(zhì)為20螺紋管，規(guī)格為 51 mm×3.5 mm。

1 余熱鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)的過(guò)程

1.1 宏觀檢查

筆者對(duì)管板、煙管角焊縫進(jìn)行滲透探傷（PT）檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂紋從煙管管端貫穿焊縫，但均未延伸至管板。鍋爐的管板、煙管均有結(jié)垢層，且其厚度為3～4 mm，而其他位置（如鍋殼等）水垢厚為0.8 mm。清除水垢后發(fā)現(xiàn)，管板與煙管之間存在較大間隙，間隙距離為0.7～0.8 mm。現(xiàn)場(chǎng)管板與煙管連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 管板與煙管連接處間隙示意圖

1.2 垢樣分析

1.2.1 水質(zhì)化驗(yàn)分析

該鍋爐采用鈉離子交換器進(jìn)行水質(zhì)處理。給水硬度為2.15 mmol/L，pH為8.16。依據(jù)GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》，該鍋爐水質(zhì)不合格，給水硬度偏高。

1.2.2 垢樣分析

取出水垢并進(jìn)行分析，結(jié)果表明，水垢中含有Fe3+，Ca2+，Mg2+，CO32-等，其成分為碳酸鹽與氧化腐蝕產(chǎn)物的混合物。

1.3 理化分析

1.3.1 金相分析

對(duì)管板進(jìn)行粗磨、細(xì)磨拋光，再經(jīng)4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）硝酸酒精腐蝕后進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，金相組織為鐵素體+珠光體。根據(jù)DL/T 674—1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知，珠光體球化程度為5級(jí)，屬于完全球化。圖4中未見(jiàn)晶界氧化裂紋，未發(fā)現(xiàn)蠕變裂紋及石墨化現(xiàn)象。

圖4 管板金相分析照片（500倍）

1.3.2 硬度檢測(cè)

采用里氏硬度計(jì)對(duì)管板和焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)后可知，管板硬度為97 HB，焊縫硬度為118 HB，參照DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》可知，兩者硬度均低于標(biāo)準(zhǔn)值。

2 裂紋事故原因分析

2.1 管板與煙管接頭處的間隙過(guò)大

該鍋爐曾于2019年10月更換全部煙管，根據(jù)出廠圖紙標(biāo)示，煙管與管板之間的最大允許間隙為0.40 mm。煙管更換時(shí)有預(yù)脹工藝的相關(guān)記錄，實(shí)際煙管與管板開(kāi)孔的實(shí)際間隙為0.7～0.8 mm，表明煙管預(yù)脹未能達(dá)到預(yù)期效果。因超標(biāo)間隙的存在，煙管與管板焊縫處形成了極小的空間，而且這個(gè)空間更貼近高溫?zé)煔?，溫度較高，空間內(nèi)的水氣化而產(chǎn)生氣泡，形成汽空間。為了了解汽空間處的傳熱情況，采用ANSYS有限元分析軟件，模擬實(shí)際工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)口煙氣溫度設(shè)定為950 ℃。建模示意圖如圖5所示。溫度場(chǎng)分布如圖6和圖7所示。

圖5 余熱鍋爐管板角焊縫有限元分析建模示意圖

圖6 角焊縫間隙未形成局部汽化的溫度場(chǎng)

圖7 角焊縫間隙形成局部汽化的溫度場(chǎng)

傳熱數(shù)學(xué)模型可采用如下描述：

（1） 連續(xù)性方程

式中：ui——速度分量，i＝x，y，z。

（2） 動(dòng)量方程

式中：v——流體的運(yùn)動(dòng)黏度，i＝x，y，z。

（3）能量方程

式中：α——流體的熱擴(kuò)散率。

一方面，由于氣泡附著在金屬壁面上，而金屬壁面不能及時(shí)冷卻，導(dǎo)致壁溫升高[2]。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)間隙內(nèi)充滿水時(shí)，焊接接頭水側(cè)的最小壁溫為380 ℃左右。當(dāng)間隙內(nèi)充滿氣泡時(shí)，焊接接頭的最小壁溫為750 ℃左右。當(dāng)氣泡溢出后，水會(huì)繼續(xù)補(bǔ)充到間隙中。因此，由于間隙過(guò)大，鍋爐水在間隙內(nèi)反復(fù)被加熱→汽化→溢出→補(bǔ)充→再加熱這個(gè)過(guò)程。角焊縫承受著交變熱應(yīng)力，這就導(dǎo)致了金屬疲勞損壞。另一方面，隨著間隙內(nèi)鍋水氣化蒸發(fā)，間隙內(nèi)鍋爐水不斷濃縮，OH-濃度不斷上升。在交變熱應(yīng)力和高濃度堿性環(huán)境的作用下，間隙處材料可能產(chǎn)生苛性脆化[3]，金屬?gòu)?qiáng)度下降，為裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

2.2 鍋爐進(jìn)口煙氣溫度超過(guò)額定值

基于金相和硬度檢測(cè)結(jié)果，鍋爐存在超溫運(yùn)行的現(xiàn)象，管板此前曾長(zhǎng)期處于超溫狀態(tài)。在運(yùn)行記錄中，余熱鍋爐入口煙氣溫度為950 ℃左右，超過(guò)了鍋爐的額定煙氣溫度（650 ℃）。金屬長(zhǎng)期在超溫狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行，加速了珠光體球化，使材料硬度降低，甚至產(chǎn)生劣化。

2.3 結(jié)垢導(dǎo)致了傳熱惡化

基于水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果可知，該鍋爐給水硬度超標(biāo)。在管板與煙管的間隙處，鍋爐水被蒸發(fā)后，水中的Ca2+，Mg2+，CO32-離子就以水垢的形式析出。水垢會(huì)堆積在間隙處，直到填滿角焊縫的間隙。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)為1.31～3.14 W/（m·K），僅為鋼板導(dǎo)熱系數(shù)的0.03～0.07[4]，水垢會(huì)導(dǎo)致金屬傳熱惡化，阻礙金屬壁面及時(shí)冷卻。碳鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都急劇下降，在交變熱應(yīng)力的作用下，焊口極易產(chǎn)生裂紋并不斷延伸。

3 建議措施

針對(duì)裂紋缺陷產(chǎn)生的原因，筆者認(rèn)為，要有效地防止管接頭再次產(chǎn)生裂紋，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

（1） 更換缺陷煙管，采用正確的煙管與管板維修安裝方式。依據(jù)TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)第2.6.3.1項(xiàng)的規(guī)定，因金屬疲勞產(chǎn)生的裂紋，只能采用挖補(bǔ)或更換部件的方式進(jìn)行處理。更換過(guò)程中，應(yīng)按照GB/T 16508—2013《鍋殼鍋爐》及圖紙的要求進(jìn)行預(yù)脹，其最大間隙應(yīng)不超過(guò)0.4 mm。

（2） 避免煙氣長(zhǎng)期超溫運(yùn)行。比如改變上游設(shè)備中化工廢水、廢渣爐的處理工藝，降低煙氣的溫度。或者在余熱鍋爐之前再裝設(shè)耐高溫的余熱回收裝置，確保鍋爐進(jìn)口煙氣溫度不超過(guò)額定煙氣溫度。

（3） 加強(qiáng)使用過(guò)程中的水質(zhì)監(jiān)控管理，嚴(yán)格控制給水硬度。使用單位應(yīng)全面檢查鈉離子交換器，保證交換器正常工作，使軟化水符合GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的要求。并保證交換器擁有足夠的交換容量，滿足鍋爐補(bǔ)給水量的要求。且應(yīng)配備持特種設(shè)備作業(yè)人員證的水質(zhì)處理人員，定期化驗(yàn)鍋爐給水、鍋水的各項(xiàng)指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)一起化工生產(chǎn)企業(yè)的余熱鍋爐管板角焊縫的事故案例，分析了裂紋產(chǎn)生的原因，依據(jù)TSG G7002—2015，TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，提出了解決方案和預(yù)防建議，希望能為鍋爐的安全運(yùn)行和預(yù)防此類(lèi)事故提供參考。