臥式鍋殼鍋爐管板高溫段裂紋分析、預(yù)防及改進(jìn)措施

趙玉芝

【摘 要】本文分析和論述了臥式鍋殼鍋爐管板高溫段裂紋形成、產(chǎn)生原因、預(yù)防措施和鍋爐改造的幾種方案，對鍋爐維修改造和改型設(shè)計有指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】臥式鍋殼鍋爐 管板高溫段裂紋

臥式鍋殼鍋爐占地面積小，易運輸安裝，為低壓鍋爐，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、生活采暖，占我國工業(yè)鍋爐產(chǎn)品首位。隨著技術(shù)的不斷更新，爐型在設(shè)計、結(jié)構(gòu)上顯現(xiàn)缺陷，表現(xiàn)為鍋內(nèi)氧腐蝕、鍋筒底部鼓包和鍋爐管板高溫段裂紋問題。裂紋處于高溫?zé)煔馊肟谔幑芸讌^(qū)，并向兩邊孔橋延伸，產(chǎn)生管板開裂事故隱患。對此提出預(yù)防對策和改進(jìn)措施。

一、以例分析產(chǎn)生裂紋的原因

某單位一臺DZW4-1.25改熱水爐運行三年，主要參數(shù)是鍋爐管板材質(zhì)20g，煙管20＃Φ63.5×3.5，循環(huán)方式為強(qiáng)制循環(huán)，采用下進(jìn)上出式的循環(huán)方式，用途為生活采暖，鍋爐啟停頻繁，無爐外水處理設(shè)備，熱力系統(tǒng)較多，鍋爐補(bǔ)水量較大，運行采用爐內(nèi)加藥方法。

通過鍋爐內(nèi)部檢驗：（l）鍋筒內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重，水垢厚度3mm－5mm，為碳酸鹽水垢。（2）鍋爐氧腐蝕較重，鍋筒內(nèi)壁、煙管、前后管板氧腐蝕2.5mm-3.0mm。（3）煙管伸出管板端部長20mm。（4）檢查發(fā)現(xiàn)管板高溫入口處管孔區(qū)有2條穿透裂紋，一條裂紋向兩邊孔橋區(qū)延伸穿過兩管孔孔橋，裂紋長70mm，寬lmm，另一條已貫通管孔孔橋區(qū)，有向內(nèi)延伸趨勢。

為確定裂紋性質(zhì)，將管孔區(qū)打磨平整進(jìn)行顯微金相分析，己斜穿第2、3排管孔有較多輻射狀裂紋、孔橋上有龜裂，金相檢查發(fā)現(xiàn)裂紋有分叉現(xiàn)象為晶間裂紋，裂紋尾端圓鈍，裂紋內(nèi)部有腐蝕產(chǎn)物，球化嚴(yán)重。

原因分析一：

1.根據(jù)裂紋形貌和顯微金相分析結(jié)果，判斷裂紋有待性脆化引起。（1）鍋水一定含有某些物質(zhì)，特別是氫氧化物，當(dāng)其被濃縮的同時，又與有應(yīng)力的鋼材接觸，會產(chǎn)生晶間裂紋。（2）一定有鍋水流入或穿過的接頭、接縫或裂紋。（3）在這些接頭、接縫或裂紋中，鍋水被濃縮。（4）鋼材上接觸化學(xué)物質(zhì)的地方，必須有局部總應(yīng)力。

2.從運行情況和制造工藝分析，該爐具備待性脆化條件：（1）煮爐除垢加藥量嚴(yán)重超標(biāo)，爐水堿度極高，在高堿度下運行時間過長，形成待性脆化環(huán)境，使?fàn)t水中氫氧化濃度在10%以上。

（2）管板與煙管間采用角焊縫連接，該爐制造焊接前后未進(jìn)行脹接，管板與煙管間存在縫隙，鍋水進(jìn)入縫隙，特別是高溫?zé)煔馊肟?，爐水在此高度濃縮。

（3）受熱面結(jié)垢嚴(yán)重，水垢傳熱系數(shù)較鋼板低數(shù)十倍，使高溫?zé)煔鉀_刷后管板不能迅速將熱量傳遞給鍋水，該部位金屬溫度升高，金屬抗拉強(qiáng)度下降。在正常壓力下，該部位金屬經(jīng)受接近于它的屈服點的拉伸力，形成待性脆化的第四個條件。

原因分析二：

后管板高溫區(qū)熱負(fù)荷較高，易在管板與水接觸面產(chǎn)生一層氣膜，該處由于水流速低，不能將氣膜及時帶走，使氣膜下的金屬得不到冷卻，導(dǎo)致金相組織球化，金屬產(chǎn)生熱疲勞，加速了裂紋擴(kuò)展。

（1）后管板近管區(qū)域水循環(huán)不良，導(dǎo)致近管外產(chǎn)生“過冷沸騰”，易產(chǎn)生熱裂紋。

（2）管板上的管孔與管子間存在間隙，處于高溫區(qū)的部分管子，焊前焊后不進(jìn)行脹管，在鍋爐運行后，間隙中的爐水受熱蒸發(fā)形成兩個近圓環(huán)，使管板產(chǎn)生疲勞裂紋。

（3）管板與管子連接處采用焊接，2、3回程在后管板溫差500℃－700℃，受拉應(yīng)力、彎應(yīng)力、溫差應(yīng)力疊加，熱水鍋爐頻繁起停，使管板與管子角焊縫局部產(chǎn)生裂紋。

（4）后管板高溫區(qū)的熱負(fù)荷最高，由于“進(jìn)口效益”和管端冷卻不良，使管端過熱產(chǎn)生裂紋并延伸至管板。

（5）煙管伸出管板較長，冷卻不良，管端產(chǎn)生過熱裂紋并延伸至管板。

（6）水質(zhì)不合格，后管板管區(qū)水側(cè)結(jié)垢，導(dǎo)致管板過熱產(chǎn)生裂紋。

原因分析三：

鍋爐運行多年，當(dāng)管板出現(xiàn)裂紋時，管板金屬組織發(fā)生變化，材料機(jī)械性能下降，對開裂20g管板進(jìn)行化學(xué)成分和金相分析發(fā)現(xiàn)：管板化學(xué)成分符合20g鋼板國家標(biāo)裝運標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，管板一旦出現(xiàn)裂紋，局部機(jī)械性能下降。

原因分析四：

產(chǎn)生裂紋是由爐型結(jié)構(gòu)所致，該爐熱力計算推薦值為上升管的流速在爐膛內(nèi)≥0.8M/S，對流段≥0.5M/S，下降管的流速在爐膛內(nèi)≥1.4M/S，對流段≥1.0M/S，鍋筒內(nèi)壁流速低于0.01M/S，鍋筒內(nèi)的水流速相當(dāng)?shù)?，不能帶走熱量，造成鍋筒?nèi)形成循環(huán)死區(qū)，壁溫升高，材料抗拉強(qiáng)度值大幅度下降，金屬產(chǎn)生熱疲勞裂紋。

二、預(yù)防與對策

l.對定型生產(chǎn)該爐型制造廠家應(yīng)具有將圖紙轉(zhuǎn)化為工藝制造的能力，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程和鍋爐制造技術(shù)條件及相關(guān)要求。

（1）管板管孔應(yīng)采用機(jī)械加工，管孔應(yīng)控制在中Φ64.5+0.74，工藝采用先脹后焊。脹管應(yīng)在管端密封焊接前進(jìn)行，焊后再加脹。以減少管孔與管子間的間隙，避免鍋筒的鍋水流入管孔區(qū)內(nèi)，不斷濃縮、蒸發(fā)造成的熱疲勞產(chǎn)生的裂紋。

（2）嚴(yán)格控制管子伸出管孔端長度，管子伸出管孔長度應(yīng)為管子的焊角高度加1.5mm。如Φ63.5的管子，管子伸出管孔端長度6.5mm，防止管子伸出管孔端過長產(chǎn)生裂紋并延伸至管板孔橋。

2.對于運行的鍋爐應(yīng)進(jìn)行改造

（1）降低煙氣入口處煙氣溫度，在爐膛后1/3處靠近爐膛煙氣入口處橫向布置一至二組對流管束，對流管直徑應(yīng)大于38mm，降低煙氣入口處的煙氣溫度，通過熱力計算，降到700℃-750℃。

（2）強(qiáng)化鍋筒后管板鍋水的擾動，改善處于循環(huán)死區(qū)的區(qū)域，使鍋內(nèi)的水有一定流動性，強(qiáng)化循環(huán)冷卻，使材料不至于升高。

（3）在后棚管入鍋筒水側(cè)管孔處，加一排改變進(jìn)水方向的水盒，使鍋爐回水入棚管的水向下進(jìn)入鍋筒底部，造成鍋爐后管板處產(chǎn)生擾動，改善水的流動方式。

（4）在鍋筒內(nèi)壁后部兩根Φ133下降管孔加限制流量的限流裝置，使鍋內(nèi)的水有一定流動性。

（5）對那些煙氣流程上下分布的鍋爐，采用改整體爐拱法。

改整體爐拱是在爐膛中造一個爐拱，將爐膛一分為二，高溫?zé)煔獗灰角肮馨?，?jīng)全部煙管到后管板，沒有第二、第三煙程之分，對防止管板裂紋、鍋筒鼓包有明顯作用。

3.加強(qiáng)運行管理及維護(hù)保養(yǎng)

鍋爐水質(zhì)處理一定按“鍋爐水處理監(jiān)督管理規(guī)則”要求進(jìn)行，要配備水處理人員，每班至少排污一次，應(yīng)有防止系統(tǒng)丟水措施，預(yù)防水垢生成；鍋爐運行要執(zhí)行“鍋爐房管理規(guī)則”；爐化學(xué)清洗應(yīng)有鍋爐清洗方案和可靠工藝，由專業(yè)單位承擔(dān)。