堿液回收鍋爐水冷壁管的開裂原因

樊玲芳 湖北科技學院工程技術(shù)研究院

謝禮志 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所

堿液回收鍋爐水冷壁管的開裂原因

樊玲芳 湖北科技學院工程技術(shù)研究院

謝禮志 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所

某造紙企業(yè)一臺型號為XXJ280/32-3.82/450的廢堿液回收鍋爐在檢修過程中發(fā)現(xiàn)爐膛水冷壁滲漏。對其進行水壓試驗，在壓力上升過程中，水冷壁衛(wèi)燃帶區(qū)域大量管子嚴重滲水。該鍋爐于2001年1月投入使用，累計運行約8萬h，使用的燃料為造紙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢堿液。膜式水冷壁管材質(zhì)為20G，尺寸為φ45×4mm；衛(wèi)燃帶管子迎火面外表面焊有抓釘，抓釘尺寸為φ10×18mm。上次內(nèi)部檢驗報告顯示，爐膛衛(wèi)燃帶的耐火層已全部垮塌，水冷壁上結(jié)焦嚴重，管外壁附著有堅硬的焦殼。

1 檢驗情況

對該鍋爐水冷壁首先進行宏觀檢查。發(fā)生滲漏的管子主要集中在水冷壁的左、右側(cè)墻衛(wèi)燃帶區(qū)域，衛(wèi)燃帶以上未見滲水痕跡。對滲漏的管子進行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，管壁上在抓釘附近存在肉眼可見的橫向裂紋；進而對各處滲漏部位進行檢查，均發(fā)現(xiàn)了類似的橫向開裂的情況。將開裂的管子外表面打磨光亮，進行磁粉探傷，開口裂紋可清晰地顯示，如圖1所示。

圖1 水冷管壁外表面橫向裂紋

在宏觀檢查中，除了橫向裂紋外，未發(fā)現(xiàn)管子有明顯變形、外表面腐蝕、壁厚減薄等其他缺陷。

對滲水處的水冷壁管割管檢查，其內(nèi)表面未見明顯腐蝕、結(jié)垢現(xiàn)象。將內(nèi)表面打磨光亮后進行磁粉探傷，在迎火面內(nèi)表面上發(fā)現(xiàn)了大量橫向裂紋(如圖2所示)。管子背火面的內(nèi)、外表面未發(fā)現(xiàn)裂紋及其他缺陷。

圖2 管子迎火面內(nèi)表面橫向裂紋

觀察割管試樣迎火面內(nèi)表面的橫向裂紋，發(fā)現(xiàn)其分布有較強的規(guī)律性，即呈平行狀態(tài)密集分布，且位于每一排抓釘對應(yīng)的管子迎火面內(nèi)表面。

對管子內(nèi)表面進行金相檢查，金相圖片如圖3(a)所示。顯微組織為鐵素體+珠光體，組織無明顯異常；圖中黑色粗直線為裂紋的微觀形態(tài)，從中可以看出，裂紋的擴展形態(tài)主要為穿晶，晶界上未發(fā)現(xiàn)晶間裂紋及蠕變空洞等顯微缺陷。將管壁縱向剖開后可以看到，裂紋起源于內(nèi)表面，由內(nèi)往外擴展如圖3(b)所示。

圖3 水冷壁管金相組織及裂紋

2 原因分析

根據(jù)以上的檢驗結(jié)果，可以排除外部介質(zhì)腐蝕、金屬過熱、材質(zhì)劣化、蠕變開裂、內(nèi)表面腐蝕開裂等裂紋產(chǎn)生因素。首先，對管子迎火面進行溫度場的模擬分析。爐膛衛(wèi)燃帶的耐火層脫落，水冷壁管外表面上抓釘裸露，在爐膛火焰的加熱作用下，由于不像管內(nèi)壁那樣能夠得到有效冷卻，抓釘及其附近靠近外表面的管壁金屬溫度將高于周圍區(qū)域的溫度。本文使用Pro/E軟件中的Mechanica模塊對水冷壁管的溫度場進行模擬分析[1]，假設(shè)管內(nèi)水溫為200℃，爐膛煙氣溫度800℃，外表面的溫度場如圖4所示：

圖4 水冷壁管迎火面外表面溫度場

根據(jù)分析結(jié)果，抓釘及其根部的管壁溫度明顯高于周圍區(qū)域，抓釘端部點2比管壁外表面點1的溫度高60℃以上；管壁內(nèi)表面的溫度分布也不均勻，如圖5所示，點3區(qū)域比點4的溫度高20℃左右；管壁外表面抓釘根部點5比內(nèi)表面點3的溫度也高出10～15℃。

圖5 水冷壁管迎火面內(nèi)表面溫度場

溫差的存在將導致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。在不考慮其他載荷的情況下，抓釘及其根部靠近外表面的管壁金屬（圖4中點5區(qū)域）受熱體積膨脹，而其根部對應(yīng)的內(nèi)壁區(qū)域（如圖5中點3對應(yīng)的區(qū)域）受到汽水混合物的冷卻作用體積膨脹量相對較小，這會使內(nèi)壁金屬產(chǎn)生軸向的拉應(yīng)力，而靠近外壁的金屬產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力。雖然此熱應(yīng)力不足以直接導致塑性變形或開裂，但是，入口工質(zhì)狀態(tài)、爐內(nèi)熱流密度、質(zhì)量流量、質(zhì)量含汽率等對水冷壁溫度均會產(chǎn)生影響，管壁隨時會有溫度起伏[2]，其應(yīng)力狀況也因此會出現(xiàn)波動，在鍋爐長期運行的狀態(tài)下，最終產(chǎn)生垂直于應(yīng)力方向的疲勞裂紋。此外，由于內(nèi)壁受到的是拉應(yīng)力，而外壁受到壓應(yīng)力作用，因而內(nèi)壁比外壁更容易產(chǎn)生裂紋。

檢驗人員通過進一步調(diào)查得知，該公司檢修人員在停爐后為使爐膛快速冷卻，在爐膛溫度較高的情況下使用常溫水對水冷壁左、右側(cè)墻進行沖淋。此舉一方面同樣會使水冷壁管內(nèi)、外壁產(chǎn)生溫差應(yīng)力，另一方面，由于附著在水冷壁管上的焦殼線膨脹率與金屬不相同，焦殼便會阻礙抓釘隨管壁的收縮位移，使抓釘根部及其附近的金屬產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力，加速了內(nèi)壁疲勞裂紋的擴展，直至管壁開裂。由于前、后側(cè)墻未受到常溫水直接沖淋，所以開裂管子的數(shù)量要比左、右側(cè)墻少得多。

3 總結(jié)

根據(jù)以上檢驗、分析的結(jié)果，筆者可以得到以下結(jié)論：

1）管子裂紋的產(chǎn)生可以排除外部介質(zhì)腐蝕，金屬過熱、材質(zhì)劣化，蠕變開裂，內(nèi)表面腐蝕開裂等因素的影響；

2）管子外壁抓釘及其附近區(qū)域的溫度高于內(nèi)壁，使內(nèi)壁金屬產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力；受到管壁溫度起伏的影響，內(nèi)壁的應(yīng)力狀況反復(fù)變化，疲勞裂紋因此產(chǎn)生；

3）停爐過程中，在爐膛溫度尚高的情況下使用常溫水直接對水冷壁進行沖淋，使抓釘根部管壁產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力及溫差應(yīng)力，大大加速了疲勞裂紋的擴展。

1 萬啟超,魏田和.Pro/Engineer Wildfire 3.0結(jié)構(gòu)、熱、運動分析基礎(chǔ)與典型范例.北京：電子工業(yè)出版社,2008－03

2 劉佳,李素芬.自然循環(huán)鍋爐水冷壁溫度計算方法及影響因素分析.能源工程,2007－06

2013－07－31）