貫流鍋爐表面燃燒改造后水管產(chǎn)生裂紋的原因分析

程 靜，周旭南，徐 艷

( 深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，深圳 518029)

作為一種清潔能源，天然氣越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)鍋爐領(lǐng)域，天然氣在化石燃料中的占比已達(dá)10%左右[1]，尤其是在大城市，天然氣已經(jīng)成為唯一一種可以用于工業(yè)鍋爐的化石燃料。然而，在天然氣鍋爐的使用中，NOx排放是極其嚴(yán)峻的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)的很多大城市都要求了工業(yè)鍋爐30 mg/m3的排放限制并進(jìn)行了低氮改造[2]。對(duì)于貫流式鍋爐，由于爐膛的尺寸較小，分級(jí)燃燒的空間不夠，因此較多的采用表面燃燒技術(shù)。但貫流鍋爐采用表面燃燒改造后，相當(dāng)數(shù)量的鍋爐投入運(yùn)行后三個(gè)月之內(nèi)在煙氣第一回程的出口處的水管發(fā)現(xiàn)密集性裂紋，這為鍋爐的安全運(yùn)行帶來(lái)了較大的隱患。筆者認(rèn)為水管產(chǎn)生裂紋的主要原因是貫流鍋爐原有的熱力平衡系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，因此本文從傳熱學(xué)的角度對(duì)產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行具體分析，并通過(guò)對(duì)產(chǎn)生裂紋的水管進(jìn)行失效分析加以驗(yàn)證，最后提出解決辦法。

1 鍋爐和燃燒器的基本情況

圖1為典型的表面燃燒器的示意圖。天然氣和空氣在進(jìn)入爐膛之前預(yù)先完全混合，進(jìn)入爐膛后，通過(guò)分流板在金屬纖維網(wǎng)表面進(jìn)行燃燒，形成無(wú)數(shù)個(gè)小火焰。因是預(yù)混火焰，其燃燒溫度低，約為1 100 ℃，低于熱力型NOx較快生成的反應(yīng)溫度[4-5]，且因有多個(gè)火焰中心，爐膛內(nèi)溫度均勻，無(wú)局部高溫區(qū)出現(xiàn)，也抑制了NOx的生成，故采用表面燃燒器后，鍋爐的NOx排放會(huì)降低至15 mg/m3，是目前NOx排放最低的燃燒方式[3]。貫流鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)和尺寸的特殊性，采用空氣分級(jí)燃燒和煙氣再循環(huán)有限制，故較多的采用表面燃燒技術(shù)進(jìn)行鍋爐的低氮改造。

圖1 表面燃燒器的示意圖

圖2為典型的貫流鍋爐爐膛內(nèi)部受熱面布置的截面圖。天然氣在爐膛內(nèi)燃燒，內(nèi)層的水管受熱面主要以輻射的方式吸收煙氣熱量，隨后煙氣流c，外層和內(nèi)層兩排水管主要以對(duì)流的方式吸收煙氣熱量，完成整個(gè)換熱過(guò)程，煙氣流通至煙囪排出。產(chǎn)生密集性裂紋的水管大多位于爐膛煙氣出口處正面沖刷的外層水管。

圖2 典型的貫流鍋爐爐膛內(nèi)受熱面布置圖

2 產(chǎn)生裂紋的傳熱學(xué)分析

貫流鍋爐采用表面燃燒后，與原來(lái)的擴(kuò)散燃燒相比，由于預(yù)混火焰產(chǎn)生的藍(lán)色火焰輻射傳熱系數(shù)較低[6]，且爐膛溫度大幅度降低，而輻射傳熱量與溫度的四次方成正比，故爐膛的輻射傳熱量大大減少。與臥式火管鍋爐相比，貫流鍋爐輻射受熱面面積及吸收熱量占總受熱面積和總吸收熱量的比重較大。因鍋爐的熱負(fù)荷一定，單位時(shí)間內(nèi)天然氣的用量相同，在爐膛內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的熱量基本相同，但由于輻射吸熱量的劇烈減少，在爐膛出口處的煙溫遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)的煙溫，爐膛出口處的后排水管直接受到超過(guò)其設(shè)計(jì)溫度的煙氣反復(fù)沖刷，且在此位置的水管承受著超過(guò)其設(shè)計(jì)的最大熱負(fù)荷，故造成爐膛出口處的后排水管由于過(guò)熱和熱疲勞應(yīng)力的反復(fù)作用而產(chǎn)生密集性的裂紋。以一臺(tái)額定蒸發(fā)量為4 t/h的三浦鍋爐為例，鍋爐表面燃燒器改造前后的部分熱力參數(shù)計(jì)算及對(duì)比如表1所示。

表1 改造前后部分熱力參數(shù)計(jì)算

3 產(chǎn)生裂紋水管的失效分析

將產(chǎn)生裂紋的鋼管試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕處理后，觀察鋼管顯微組織。圖3～圖6為鋼管試樣的顯微組織。

圖3 縱截面內(nèi)表面(50×)

圖4 縱截面外表面(200×)

圖5 橫截面內(nèi)表面(200×)

圖6 橫截面外表面(200×)

將斷口打開后，表面有一層紅棕色覆蓋物，將斷口經(jīng)鹽酸溶液將表面紅棕色覆蓋物清洗干燥后，置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察。圖7～圖10為鋼管試樣的顯微組織。

圖7 起裂源區(qū)低倍形貌

圖8 起裂源區(qū)局部放大形貌

圖9 裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌

圖10 最后斷裂區(qū)形貌

通過(guò)能譜分析和電鏡分析，鋼管材料的內(nèi)外表面均有輕微脫碳現(xiàn)象，斷口起裂源區(qū)平整，有一圓弧擴(kuò)展面，最后斷裂區(qū)與內(nèi)表面呈45°夾角。整個(gè)斷口均以解理開裂形貌為主，裂紋在內(nèi)表面萌生后，在鍋爐不斷的運(yùn)行過(guò)程中，由內(nèi)往外擴(kuò)展，最后形成一次性快速擴(kuò)展開裂。斷口附近鋼管內(nèi)表面局部可見(jiàn)存在大量長(zhǎng)短不一的環(huán)向平行裂紋，該區(qū)域圓弧寬度約為20 mm，結(jié)合宏觀照片及鍋爐結(jié)構(gòu)圖可知，出現(xiàn)環(huán)向平行裂紋缺陷區(qū)域位于煙氣沖刷區(qū)，而非缺陷區(qū)則無(wú)煙氣沖刷。結(jié)合化學(xué)成分分析及鍋爐運(yùn)行狀況，可以判定水管產(chǎn)生裂紋是由于過(guò)熱及熱疲勞引起的，這與熱力分析的結(jié)果相吻合。

4 解決方法

貫流鍋爐表面燃燒器改造后水管普遍性存在著易出現(xiàn)密集性裂紋的狀況，通過(guò)以上的分析，產(chǎn)生原因在于原有的熱力系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，使第一回程煙氣出口處具有較高的溫度和熱負(fù)荷，且長(zhǎng)期受到高溫?zé)煔獾臎_刷，導(dǎo)致水管因過(guò)熱和熱疲勞而產(chǎn)生裂紋。因此，在進(jìn)行貫流鍋爐表面燃燒器改造前，應(yīng)增加以下工作：①對(duì)熱力計(jì)算書進(jìn)行重新核算；②對(duì)水管強(qiáng)度進(jìn)行重新核定；③分析爐膛結(jié)構(gòu)與尺寸和燃燒器火焰的匹配性；④從增強(qiáng)輻射換熱系數(shù)的角度增強(qiáng)爐膛的輻射換熱量。

5 結(jié) 論

(1)貫流鍋爐表面燃燒改造后水管易產(chǎn)生密集性裂紋這一普遍現(xiàn)象是由于鍋爐原有的熱力系統(tǒng)遭到破壞。

(2)從傳熱學(xué)的角度分析產(chǎn)生裂紋的原因是過(guò)熱和熱疲勞。

(3)從失效分析的角度分析產(chǎn)生裂紋的原因是過(guò)熱和熱疲勞，這與從傳熱學(xué)的角度分析結(jié)果相一致。

(4)在進(jìn)行貫流鍋爐表面燃燒器改造時(shí)，應(yīng)重新核算熱力計(jì)算書，重新核定水管強(qiáng)度，分析燃燒器與爐膛的匹配性，并增加爐膛內(nèi)的輻射換熱量。