臥式內(nèi)燃三回程鍋爐管板及管口破裂失效成因及預(yù)防

莫志生 彭浩斌

摘要：本文通過對(duì)一起WNS4-1.0-Y型鍋爐的后管板管口裂紋事故處理，剖析鍋爐管口管板裂紋成因，研究破裂失效機(jī)理，進(jìn)而提出相應(yīng)的預(yù)防措施和改進(jìn)方法。

關(guān)鍵詞：鍋爐管板 煙管 裂紋 裂紋事故 失效機(jī)理

鍋爐為生產(chǎn)、生活提供熱量、動(dòng)力，應(yīng)用廣泛。其中臥式內(nèi)燃三回程使用廣泛。

運(yùn)行中，WNS型號(hào)的鍋爐較發(fā)生管板開裂是最常見的失效形式。下文將通過分析一臺(tái)WNS型鍋爐后管板開裂事故的原因，研究這類型鍋爐煙管、管板破裂失效機(jī)理，探討有效的預(yù)防措施和改進(jìn)辦法。

1 事故概述

本案例中鍋爐使用0#柴油，按照上式進(jìn)行校核時(shí)，爐膛出口溫度為950℃。同時(shí)，煙氣折返時(shí)在入口處形成很大的擾動(dòng)，管口位置的放熱系數(shù)遠(yuǎn)大于其他部位的煙氣系數(shù)，產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，交變熱負(fù)荷加大。

另一方面，圖1可見，煙管管口伸出鍋爐本體，管口到鍋水之間的傳熱距離長，容易超溫工作；但停爐時(shí)，管口降溫速度快于管子。所有這些條件綜合起來，這個(gè)位置的管板、管口容易產(chǎn)生裂紋。

除了受熱條件惡劣外，導(dǎo)致管板開裂還有以下原因：

①制造質(zhì)量不合格

未消除管子與管孔的間隙（見圖1中的δ）。

為便于裝配，管板加工時(shí)，開孔內(nèi)徑一般比管子外徑大1mm，如焊接前不合格脹管，裝配完畢后，管子與管孔內(nèi)壁間留有0.5mm的間隙。該間隙的存在對(duì)鍋爐的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致管孔過熱。運(yùn)行時(shí)候間隙中的水被加熱成水蒸氣但不易從縫隙中溢出，造成該處過熱。另外間隙中產(chǎn)生的水蒸氣即使逸出，爐水及時(shí)補(bǔ)充。但過程中該處反復(fù)逸出、冷卻產(chǎn)生熱疲勞裂紋。另外由于爐水一般保持一定的堿度。在間隙中鍋水流動(dòng)不暢被不斷濃縮，超過鍋爐安全運(yùn)行允許的限值，該處容易發(fā)生苛性脆化。

此外，角焊縫如果在焊接中有缺陷，管口末端外伸過長造成管口部分長期超溫，或長期承受交變熱應(yīng)力容易發(fā)展成為裂紋。

②運(yùn)行不當(dāng)

鍋爐運(yùn)行時(shí)水處理不合格，鍋水堿度高，更易造成苛性脆化。此外頻繁啟停鍋爐令管口承受交變熱應(yīng)力加大或停爐時(shí)驟然打開煙室門，管板和管口承受更大的降溫溫差應(yīng)力；啟動(dòng)時(shí)吹掃時(shí)間不足，在爐膛中發(fā)生爆燃沖擊管板；爐膛里面堆積煙灰和灰垢減弱熱交換，使得第二回程入口煙溫超過設(shè)計(jì)值。

3 預(yù)防辦法

針對(duì)上述裂紋產(chǎn)生的原因，可采取如下的措施加以預(yù)防：

①正確選擇爐膛出口溫度，在后管板煙氣第二回程入口裝設(shè)隔熱蒸餾裝置，一方面隔絕高溫?zé)煔庵苯优c管板接觸，有效降低管板溫度，避免過冷沸騰，減少鍋爐內(nèi)局部鍋水濃縮和結(jié)生水垢的危害；另一方面也避免了高溫旋流煙氣對(duì)管子端部的磨損，再有是保證角焊縫質(zhì)量消除焊縫缺陷、在焊前預(yù)脹管，消除管子與管孔間間隙，有條件的焊后應(yīng)進(jìn)一步施脹，即采用“脹→焊→脹”工藝，以消除焊接應(yīng)力?！跺仛ゅ仩t本體制造技術(shù)條件》（JB/T1619-2002）規(guī)定：“對(duì)于與600°C以上煙氣接觸的管板，焊接連接的煙管和拉撐管應(yīng)采取消除間隙的措施”。制造時(shí)控制管子伸出角焊縫的長度。參照《鍋殼鍋爐本體制造技術(shù)條件》（JB/T1619-2002）的規(guī)定：“a.當(dāng)煙溫大于600°C時(shí)，不應(yīng)大于1.5mm；b.當(dāng)煙溫不大于600°C時(shí)，不應(yīng)大于5mm?！?/p>

②鍋爐運(yùn)行中加強(qiáng)鍋爐水質(zhì)監(jiān)控，正確排污，確保鍋爐水質(zhì)達(dá)標(biāo)、避免頻繁啟停鍋爐，停爐時(shí)緩慢冷卻、定期清灰垢、啟動(dòng)時(shí)保證吹掃時(shí)間避免爆燃。

③定期檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及早處理。

按規(guī)定，鍋爐應(yīng)每兩年進(jìn)行一次內(nèi)部檢驗(yàn)。對(duì)投用時(shí)間過長，鍋爐水處理不好，有維修記錄的鍋爐，應(yīng)相應(yīng)縮短定檢周期，如發(fā)現(xiàn)管板、管口有微小裂紋的，可以及早進(jìn)行處理。

4 本例管口、管板裂紋的處理

從上述的分析可知，本例中鍋爐管板的金相組織并沒有劣化，鍋爐內(nèi)部水垢并不嚴(yán)重，經(jīng)檢查，管口端部超出角焊縫頂部超過1.5mm，由此判斷該裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)殄仩t在工作中，管口長期超溫，發(fā)生熱裂紋，然后向管板、管壁擴(kuò)散開裂。

在處理方面，采取了更換發(fā)生裂紋的管子，修補(bǔ)管板裂紋的處理。鑒于該鍋爐95年投入使用至今接近20年，使用單位制定了每半年自行進(jìn)行一次內(nèi)部檢驗(yàn)的使用制度。

5 總結(jié)

管口、管板在運(yùn)行中產(chǎn)生裂紋，是WNS型鍋爐常見的失效形式，輕者導(dǎo)致停爐，重者造成人員傷亡。裂紋產(chǎn)生的原因很多，有設(shè)計(jì)失誤、制造質(zhì)量不過關(guān)方面的，也有使用不規(guī)范、水處理工作不到位等，實(shí)際工作中可采取相應(yīng)的措施加以預(yù)防。

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