鍋殼式熱水鍋爐管端裂紋的產(chǎn)生原因與預(yù)防

居曉明 中國(guó)人民解放軍北京軍區(qū)鍋爐檢驗(yàn)所

在鍋殼式燃油燃?xì)鉄崴仩t的內(nèi)部檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)煙管的高溫?zé)煔馊肟诠芏水a(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致煙管泄漏是這種爐型最常見(jiàn)的失效形式。本文結(jié)合鍋爐運(yùn)行工況試圖對(duì)煙管管端產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析，并提出一些防范管端產(chǎn)生裂紋的有效措施。

1 管端裂紋的形態(tài)和缺陷部位的金相組織

通過(guò)對(duì)泄漏鍋爐煙管管端裂紋滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)常見(jiàn)的管端裂紋形態(tài)有：軸向裂紋、徑向裂紋、周向裂紋和混合型裂紋。煙管內(nèi)壁的軸向裂紋長(zhǎng)短不一，較短的軸向裂紋距離管端約有幾毫米，較長(zhǎng)的軸向裂紋延伸至煙管管端；有時(shí)能發(fā)現(xiàn)煙管端面的徑向裂紋已裂至角焊縫表面，形成幾毫米長(zhǎng)度不等的放射狀裂紋；周向裂紋一般是沿角焊縫根部的未熔合區(qū)開(kāi)裂的；混合型裂紋是上述三種裂紋形態(tài)的組合，一般是在形成周向裂紋后，再出現(xiàn)軸向和徑向裂紋，可以說(shuō)是周向裂紋的進(jìn)一步發(fā)展。管孔周?chē)话銢](méi)有裂紋，少數(shù)情況管孔周?chē)馨l(fā)現(xiàn)放射狀裂紋，管孔周?chē)姆派錉盍鸭y有的在管端徑向裂紋的延伸方向上。

通過(guò)對(duì)一些典型性的缺陷部位做金相分析，缺陷附近管板的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體組織分布的均勻性較差，但仍屬正常組織。有軸向裂紋的煙管管端的金相組織為鐵素體+珠光體+魏氏組織，由于焊接過(guò)程未按焊接規(guī)范嚴(yán)格控制，使得焊縫熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)變寬，產(chǎn)生了魏氏組織。另外，金相顯微檢查看到的裂紋端部較鈍，具有疲勞裂紋的特征。

2 煙管管端裂紋產(chǎn)生的原因

煙管裂紋一般是從距管端一定距離的煙管外壁

發(fā)展而成的，這與管端因冷卻不好過(guò)熱而引起的裂紋不同，同時(shí)煙管還有周向裂紋，說(shuō)明裂紋源不可能在管口端面。引起裂紋的機(jī)理非常復(fù)雜，結(jié)合鍋爐運(yùn)行工況分析，裂紋的產(chǎn)生主要受到以下幾種因素的影響。

2.1 管端角焊縫部位熱應(yīng)力大

燃油燃?xì)忮仩t的燃燒強(qiáng)度大，煙氣進(jìn)入回燃室的溫度一般在900℃左右，回燃室管板溫度相對(duì)較低，所以管板要吸收來(lái)自高溫?zé)煔獾妮椛錈?。同時(shí)，煙氣以一定速度進(jìn)入煙管后，以對(duì)流傳熱的方式將熱量傳給煙管。就整個(gè)管板而言，其接受的熱輻射是比較均勻的，但管孔周?chē)墓馨?，除了接受輻射熱，還接受煙管吸收的對(duì)流換熱量，這部分熱量是通過(guò)煙管和管板的連接部位傳給管板的，在管孔處管板接受的熱量是輻射和對(duì)流兩部分熱量的疊加。在管子入口處，由于煙氣流動(dòng)受到很大擾動(dòng)，幾乎不存在熱邊界層，其局部放熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煙氣在管內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)后的放熱系數(shù)，這就是所謂的“入口效應(yīng)”?！叭肟谛?yīng)”使煙管和管板受熱產(chǎn)生很大的不均勻性，管端煙氣入口處熱負(fù)荷最大，會(huì)因?yàn)槭軣崤蛎洸痪?，在角焊縫連接部位產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。

2.2 煙管與管板角焊縫應(yīng)力集中

在制造或修理過(guò)程中，因管孔未開(kāi)坡口，或技術(shù)規(guī)范中明確要求的焊前預(yù)脹消除間隙的工序被忽略，或焊工作業(yè)人員未完全遵照焊接工藝施焊，則焊后焊縫根部可能有未焊透、未熔合等缺陷，減少焊縫的有效承載面積，造成局部應(yīng)力集中，而且存在很大的焊接殘余應(yīng)力。

在鍋爐啟動(dòng)、運(yùn)行和停止過(guò)程中，承壓部件除承受介質(zhì)的工作壓力外，還會(huì)因不同部件的熱膨脹變形量不同，煙管與管板的角焊縫部位承受不同的拉伸、壓縮和剪切作用，產(chǎn)生較大的附加交變應(yīng)力。在ASME規(guī)范中就規(guī)定，角焊縫承受剪切載荷時(shí)的許用應(yīng)力只是金屬材料同溫度下許用應(yīng)力的49%。很多熱水鍋爐采用出回水溫度參數(shù)自動(dòng)控制啟停，啟停次數(shù)頻繁，有的熱水鍋爐一天內(nèi)甚至啟停次數(shù)達(dá)十幾次之多。鍋爐運(yùn)行中應(yīng)力幅度的頻繁變化和應(yīng)力集中，促使煙管與管板的角焊縫成為焊接結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。

2.3 高溫?zé)焻^(qū)內(nèi)承壓部件水側(cè)結(jié)垢

對(duì)于煙管管端裂紋的鍋爐，檢查其高溫?zé)焻^(qū)內(nèi)承壓部件水側(cè)通常都結(jié)有水垢，尤其是煙管和回燃室管板交界處周?chē)乃负穸冗_(dá)10mm。因?yàn)楣芸妆谔幍臒嶝?fù)荷高，鍋水溫度高，水中碳酸鹽硬度物質(zhì)的溶解度下降，容易沉淀析出，附著在金屬壁面上形成水垢大大惡化了鍋水對(duì)金屬壁面的冷卻效果，導(dǎo)致受熱面壁溫升高，力學(xué)性能下降。水垢還會(huì)引起結(jié)垢部位金屬的垢下腐蝕，由于結(jié)垢部位金屬壁溫升高，促使腐蝕速率提高。

2.4 閉塞區(qū)內(nèi)的熱疲勞失效

煙管與管板焊接前預(yù)脹不充分或不預(yù)脹時(shí)，管子外壁和管孔壁間就會(huì)不同程度存在一定的間隙。即使是煙管與管板連接部位被水垢覆蓋，也會(huì)在鍋爐運(yùn)行時(shí)有鍋水滲入，在間隙中形成一個(gè)環(huán)形水膜，由于被水垢與鍋水的主流場(chǎng)隔開(kāi)，這里水循環(huán)不良，形成閉塞區(qū)。由于管孔處所受的熱負(fù)荷最大，“過(guò)冷沸騰”首先在這里發(fā)生。又由于汽泡不能自由地游離出間隙，因而汽泡逐漸聚集長(zhǎng)大，使水膜變成了汽膜，管孔壁和煙管管端傳熱隨之惡化，造成局部金屬過(guò)熱。隨后，因汽膜膨脹破裂而噴出，再一次在間隙內(nèi)形成水膜，局部過(guò)熱金屬又被鍋水快速冷卻，周而復(fù)始，這種循環(huán)每小時(shí)可以發(fā)生很多次，再加上角焊縫根部應(yīng)力集中，所以，用不了很長(zhǎng)的時(shí)間，就可能在角焊縫根部或其熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生微裂紋。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，在熱應(yīng)力的反復(fù)交變作用下，微裂紋逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋，造成煙管管端的熱疲勞失效，嚴(yán)重時(shí)裂紋可能擴(kuò)展到角焊縫外表面，甚至延伸到管板上。

2.5 腐蝕疲勞加速裂紋擴(kuò)展

在鍋爐運(yùn)行時(shí)，煙管管端承受很高的交變熱應(yīng)力作用，金屬晶格間產(chǎn)生滑移，破壞了金屬表面的鈍化膜，由于電化學(xué)腐蝕，在鈍化膜破損處產(chǎn)生微觀腐蝕。在煙管和管板之間的孔隙內(nèi)，鍋水發(fā)生過(guò)冷沸騰時(shí)，汽化鍋水所溶解的鹽分轉(zhuǎn)移到未汽化的鍋水內(nèi)，使鍋水高度濃縮，鍋水的導(dǎo)電性增強(qiáng)，并且此處的鍋水溫度高，金屬壁溫也很高，電化學(xué)腐蝕的反應(yīng)速度大大加快。給水溶解氧不合格是電化學(xué)腐蝕的推動(dòng)力，它是陰極去極化劑，使得腐蝕持續(xù)進(jìn)行。微裂紋在交變熱應(yīng)力和裂紋尖端的陽(yáng)極溶解過(guò)程的共同作用下，不斷擴(kuò)展。鐵受水中溶解氧的腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕，鐵和氧形成兩個(gè)電極組成腐蝕電池，鐵為陽(yáng)極失去電子，以離子形式進(jìn)入鍋水中，氧在陰極吸收陽(yáng)極釋放出的電子，起到陰極去極化作用，鍋水不斷溶入的氧，使腐蝕不斷加深。

綜上所述在高溫運(yùn)行工況下，在交變熱應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、鍋內(nèi)工作壓力等因素共同作用下，當(dāng)高溫?zé)焻^(qū)煙管與管板連接角焊縫根部存有未熔合、未焊透缺陷時(shí)，因有效承載面積減小，局部應(yīng)力集中，促使裂紋源形成，裂紋擴(kuò)展到一定程度，承受不了應(yīng)力作用，導(dǎo)致沿角焊縫焊接熱影響區(qū)內(nèi)未完全熔合區(qū)開(kāi)裂，形成宏觀上的周向裂紋。對(duì)于存在魏氏組織的煙管管端，塑性和韌性下降而脆性增大，高溫性能下降，很容易在管壁有劃痕缺陷的部位首先形成微裂紋，進(jìn)一步擴(kuò)展就形成了軸向裂紋，擴(kuò)展到煙管端面就變成了徑向裂紋。熱疲勞和腐蝕疲勞會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展，造成腐蝕性熱疲勞損壞，一般形成的裂紋都不太大，斷口既有疲勞破壞的特征，又有腐蝕破壞的特征。

3 預(yù)防管端裂紋產(chǎn)生的有效措施

通過(guò)以上對(duì)煙管管端裂紋產(chǎn)生原因的分析，可以采取以下有效措施預(yù)防管端裂紋的產(chǎn)生。

3.1 煙管與管板裝配連接工藝的改進(jìn)

在制造或修理時(shí)，焊接前有預(yù)脹要求時(shí)，應(yīng)在工藝規(guī)范中明確規(guī)定，預(yù)脹的脹管率不小于1%，保證煙管與管孔壁完全貼合。無(wú)論是制造廠生產(chǎn)，還是現(xiàn)場(chǎng)修理，煙管與管板焊接時(shí)，都應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行已制定的工藝規(guī)范，焊接前一定要預(yù)先烘干焊條，焊接時(shí)保證周邊環(huán)境溫度符合規(guī)范要求。

為減小“入口效應(yīng)”的影響，可將煙管高溫端入口適度擴(kuò)大，再襯入耐熱套管，如圖1所示。為了減小管板所受的輻射熱負(fù)荷，降低高溫?zé)焻^(qū)管板和管孔角焊縫的壁溫，還可以在回燃室管板外壁敷上適當(dāng)厚度的隔熱層。

圖1 煙管高溫管端襯入耐熱套管的示意圖

3.2 加強(qiáng)鍋爐的水質(zhì)管理工作

使用單位應(yīng)在鍋爐房配備至少一名持證的專(zhuān)職水處理化驗(yàn)人員，并做好水質(zhì)的化驗(yàn)記錄工作。嚴(yán)格執(zhí)行GB/T1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證鍋水各項(xiàng)指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)，使鍋內(nèi)能夠達(dá)到良好的防腐阻垢效果。配置專(zhuān)人監(jiān)管水處理工作，同時(shí)，還可以指導(dǎo)司爐操作人員科學(xué)的排污，既避免過(guò)度排污造成能源、資源的浪費(fèi)，又避免排污不足造成鍋內(nèi)結(jié)垢。

額定功率大于等于7.0MW的承壓熱水鍋爐，給水應(yīng)進(jìn)行除氧，其它鍋爐給水應(yīng)盡量除氧, 對(duì)于沒(méi)有給水除氧設(shè)備的熱水鍋爐系統(tǒng)，應(yīng)考慮軟水中使用亞硫酸鈉作為除氧劑或添加有機(jī)除氧藥劑。亞硫酸鈉是白色或無(wú)色晶體，易溶于水，是較強(qiáng)的還原劑，能與水中溶解氧發(fā)生如下氧化還原反應(yīng)：

2Na2SO3+O2=2Na2SO4

每除去1g氧，約需8g無(wú)水亞硫酸鈉，常溫常壓下，水中含氧量約為8.8mg/L，理論計(jì)算無(wú)水亞硫酸鈉用量為69.3mg/L。在日常應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際補(bǔ)水量來(lái)確定加藥量，留有富余量10%～20%即可。

應(yīng)對(duì)敞口使用的軟化水箱，加裝可以浮動(dòng)的輕質(zhì)材料蓋板或薄膜與空氣隔絕，在浮動(dòng)蓋板或薄膜上留出加藥口（不用時(shí)封閉），或在給水管路系統(tǒng)中增設(shè)加藥裝置和加藥泵，用以添加亞硫酸鈉或其它有機(jī)除氧藥劑。特別是系統(tǒng)補(bǔ)水量大，補(bǔ)水量多時(shí)更應(yīng)如此改造，可使給水的含氧量保持較低的水平。

3.3 杜絕系統(tǒng)的跑、冒、滴、漏、控制補(bǔ)給水量

使用單位應(yīng)當(dāng)合理安排對(duì)系統(tǒng)的管道、閥門(mén)、法蘭進(jìn)行檢修，對(duì)發(fā)現(xiàn)滲漏的部位進(jìn)行修理或更換，及時(shí)采取措施解決系統(tǒng)的跑、冒、滴、漏等問(wèn)題。對(duì)熱水鍋爐，可以往鍋水里添加栲膠或腐殖酸鈉等有機(jī)藥劑，既可以起到防腐阻垢的效果，又能充當(dāng)染料使系統(tǒng)水著色，減少用戶(hù)的用水現(xiàn)象?？刂蒲a(bǔ)給水量可以減少鍋爐房水、電用量，避免鈉離子交換器頻繁再生，減少因調(diào)節(jié)鍋水品質(zhì)而添加的藥量，防止過(guò)量氧氣和二氧化碳進(jìn)入鍋爐，減少補(bǔ)給水帶入鍋內(nèi)的硬度物質(zhì)，能夠減緩鍋爐的腐蝕、結(jié)垢速率，降低鍋爐運(yùn)行成本，延長(zhǎng)鍋爐使用壽命。

3.4 改進(jìn)鍋爐自動(dòng)控制方式

推薦燃油燃?xì)鉄崴仩t采用比例調(diào)節(jié)模式控制鍋爐運(yùn)行，避免鍋爐頻繁啟停。這種控制方式大大減少了鍋爐的啟停次數(shù)，可以減緩交變應(yīng)力對(duì)受壓部件，尤其是煙管與管板角焊縫處的破壞作用，避免發(fā)生低周應(yīng)力疲勞。同時(shí)，可以減少水垢脫落、堆積造成局部區(qū)域的水循環(huán)不良，降低閉塞區(qū)內(nèi)腐蝕性熱疲勞發(fā)生的可能性。但是，小火燃燒容易造成爐內(nèi)積碳現(xiàn)象發(fā)生，因此，要做好燃燒器的風(fēng)量配比調(diào)節(jié)工作，并在每年停爐檢修期間做好積碳清理和停爐維護(hù)保養(yǎng)工作。

3.5 直接供熱改為間接供熱

對(duì)于具有經(jīng)濟(jì)條件的鍋爐使用單位，如果鍋爐房空間允許，可以考慮對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行改造，加裝“水－水”換熱器，把直接供熱方式改造成間接供熱方式，從而把鍋爐與供熱循環(huán)系統(tǒng)分離，形成獨(dú)立的二次循環(huán)系統(tǒng)。