燃氣鍋爐煙管管端和管板裂紋分析及防止

王明強 吳金星 王 超 劉艷會

（鄭州大學化工與能源學院節(jié)能技術研究中心 鄭州 450001）

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燃氣鍋爐煙管管端和管板裂紋分析及防止

王明強 吳金星 王 超 劉艷會

（鄭州大學化工與能源學院節(jié)能技術研究中心 鄭州 450001）

摘 要：燃氣鍋爐在長期運行中煙管管端及管板常常產(chǎn)生裂紋，其主要原因是熱負荷較大、管板結垢嚴重、苛性脆化等。本文針對各種裂紋產(chǎn)生的原因并結合工程案例，闡述了管板煙氣側加設隔熱層、加強水循環(huán)、改善制造工藝、加強水質(zhì)管理等防止措施，使煙管管端及管板工作條件得到很大改善，以防止裂紋的發(fā)生，保證鍋爐安全、高效地運行。

關鍵詞：燃氣鍋爐 管板 煙管 裂紋 防止措施

Analysis and Prevention of the Crack on the Smoke Tube End and Tube Sheet in the Gas Boiler

Wang Mingqiang Wu Jinxing Wang Chao Liu Yanhui
(Research Center of Energy-saving Technology of School of Chemical and Energy Engineering, Zhengzhou University Zhengzhou 450001)

Abstract The smoke tube end and tube plate often generate cracks during the long-term operating of gas boiler, the main reason of which is big thermal loading, serious scaling of tube plate, caustic embrittlement, etc. Aimed at the causes of various cracks, and combining with engineering cases, this paper expounds the prevention measures, such as adding insulation layer to gas side of tube plate, strengthening water cycle, improving manufacturing process and strengthening water quality management, to make the working conditions of smoke tube end and tube plate highly improved so as to prevent the occurrence of cracks and ensure the operating of boiler safely and effi ciently.

Keywords Gas boiler Tube sheet Smoke tube Crack Prevention measures

鍋爐是我國主要的熱能轉換設備。隨著我國能源消耗量日益上升，城市空氣質(zhì)量日漸惡化的問題越發(fā)突出[1]。在節(jié)能環(huán)保要求不斷提升的今天，燃氣鍋爐的使用為城市帶來了清潔與便利，在我國得到了廣泛的推廣應用。但是，由于結構設計、制造工藝和運行管理等方面的原因，使鍋爐爐膽出口的轉煙室煙管管端及管板常常產(chǎn)生裂紋，從而造成爐水泄露，顯著降低了鍋爐運行中的安全系數(shù)，影響其運行效率。因此，必須采取有效的防止措施，保障鍋爐安全、穩(wěn)定、高效地運行，降低此類事故的發(fā)生率。

1 裂紋的形式

燃氣鍋爐由于多種原因使得煙管管端及管板經(jīng)常發(fā)生裂紋，從而影響鍋爐正常運行。經(jīng)驗表明，裂紋發(fā)生大多從管端開始，并向角焊縫及管板延伸，嚴重者裂紋可將兩管孔貫通，造成孔橋斷裂；也有一部分裂紋發(fā)生在煙管與管板之間的焊縫處，并擴散至管板。概括起來裂紋的形式大體有四類：管端裂紋、管板裂紋、孔橋裂紋和管端與管板連續(xù)裂紋，其分布如圖1所示。

圖1　裂紋的形式及分布示意圖

2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

本文根據(jù)鍋爐出現(xiàn)的煙管管端及管板裂紋現(xiàn)象，結合工程實踐及相關資料，分析了裂紋產(chǎn)生的原因。

2.1 煙管管端及管板熱負荷過高

從鍋爐結構上分析，高溫煙氣從爐膛進入回煙室，使管板成為高溫區(qū)。由于“入口效應”的影響，煙管端部和管孔周圍的管板接受的熱量是輻射和對流兩部分熱量的疊加，這就使煙管端部和管孔處管板成為高熱負荷區(qū)。一般進口煙溫可高達1200℃左右，而20#鋼的相變溫度臨界點為855℃，必須靠有效的冷卻使鍋爐煙管、管板的工作溫度不超過286℃[2]。同時，管板壁溫還會隨著管板外水垢的不斷增厚而急劇上升，由于煙管管端離爐水最遠，得不到可靠的冷卻，致使管端長期處于過熱狀態(tài)，金屬內(nèi)部組織發(fā)生變化，從而產(chǎn)生熱應力裂紋。

2.2 鍋爐內(nèi)局部區(qū)域水循環(huán)不良

在鍋爐運行過程中，管板附近的爐水形成局部自然對流，爐水循環(huán)不良，長時間處于停滯或緩慢流動的狀態(tài)，導致管板得不到有效的冷卻，管板溫度過高，在管板表面產(chǎn)生爐水過冷沸騰現(xiàn)象，更加劇了水垢的生成，使傳熱進一步惡化，從而導致管板發(fā)生裂紋。有研究表明，只要水流速度大于0.1m/s就可以避免“過冷沸騰”。

2.3 煙管與管板間存有間隙

按當前熱水鍋爐的制造技術，煙管外壁與管孔壁間通常存在0.5～0.85mm的間隙。鍋爐運行時，爐水滲入間隙形成環(huán)形水膜，此處局部熱負荷較高，爐水受熱達到飽和溫度形成氣泡，由于間隙內(nèi)水循環(huán)較差，氣泡逐漸變大形成氣膜，致使管孔壁與管端傳熱惡化，造成管端局部過熱。氣膜被加熱到一定程度后噴出間隙，爐水隨之又填滿間隙，使管端及管孔壁受到急劇冷卻。鍋爐運行過程中，在反復不斷的熱交變應力作用下，煙管管端靠近焊縫處產(chǎn)生熱疲勞裂紋，并向管板延伸。

2.4 煙管管端伸出焊縫長度過大

根據(jù)GB/T 16508—1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》及有關鍋爐制造技術標準的要求，當管板與600℃以上的煙氣接觸時，其煙管端口伸出焊縫的長度不應超過1.5mm[3]。而實際生產(chǎn)制造過程中，煙管管端超出焊縫長度大部分在2～6mm。由于煙管管端超出焊縫長度過長，造成管端無法得到有效冷卻，金屬壁溫升高，抗拉強度和屈服強度急劇降低，加速了煙管管端裂紋的形成。

2.5 爐水水質(zhì)不合格，管板結垢嚴重

鍋爐水質(zhì)不合格及水循環(huán)不良常常導致管板水側結垢比較嚴重。資料表明，水垢的導熱系數(shù)僅為鋼板導熱系數(shù)的1/10～1/100。因此，水垢的存在將造成管板，特別是煙管與管孔連接處導熱性能急劇惡化，導致金屬過熱，金相組織變化，產(chǎn)生熱疲勞裂紋。

另外，爐水從水垢的孔縫處滲入，在水垢層與鍋爐管板之間急劇蒸發(fā)。在水垢層下，爐水被濃縮到很高的濃度，其中就有些物質(zhì)（如NaOH）在高濃度條件下對鍋爐受熱面產(chǎn)生垢下腐蝕，這也是裂紋的一種起源。

2.6 鍋爐運行工況波動等其它原因

鍋爐間斷運行和頻繁啟停，使管板及管板與煙管處的角焊縫反復經(jīng)受升溫和降溫的變化，產(chǎn)生交變熱應力，致使管板及管板與煙管處的角焊縫產(chǎn)生熱疲勞裂紋。

鍋爐運行如pH值失控，會導致爐水堿濃度過高。由于管板與煙管間存在間隙，爐水在此處高度濃縮，隨著該部位金屬溫度升高，金屬抗拉強度下降，在正常壓力下，該部位金屬經(jīng)受的拉伸應力接近于其屈服點，產(chǎn)生苛性脆化。隨著時間的推移，苛性脆化引起裂紋擴張，造成端口開裂。

3 裂紋防止措施

基于上述引起煙管管端及管板裂紋的原因分析，為有效地防止高溫區(qū)煙管管端及管板產(chǎn)生裂紋，可采取以下四項措施。

3.1 加裝隔熱層，降低管板熱負荷

為了避免管端過熱，降低管板熱負荷，在管板煙氣側加裝40～60mm的耐火隔熱層[4]（如圖2所示），避免煙氣直接沖刷管板。耐火隔熱層可用礬土耐火水泥，煙管管端加設耐熱短管（可用鋼合金耐熱鋼或耐熱高溫陶瓷管），減少煙管管端受熱，防止其過熱產(chǎn)生熱疲勞，同時也起到支撐保溫層的作用。

圖2　管板煙氣側加裝耐火隔熱層

3.2 加強水循環(huán)，強化管板區(qū)爐水擾流

1）采用引射自然循環(huán)方式，如圖3所示。這種引射循環(huán)能夠有效改善高溫區(qū)管板水側的水循環(huán)，加強了爐水擾動，改善管板的工作條件，對防止管板產(chǎn)生裂紋具有重要作用。

圖3　引射自然循環(huán)方式示意圖

2）在管板高溫區(qū)引一循環(huán)管，將管端封死，在正對高溫區(qū)煙管方向上鉆孔若干，將循環(huán)管接循環(huán)水泵入口[5]。應保證高溫區(qū)管板附近水流速大于0.1m/s。

3）在鍋爐轉煙室上部靠前設置導水板，煙管穿過導水板，如圖4（a）所示，在導水板的作用下部分進水流經(jīng)高溫區(qū)管板附近，改善此處水循環(huán)，避免發(fā)生“過冷沸騰”。為了避免導水板后形成死水區(qū)，可將導水板穿過煙管的開孔比煙管直徑稍大一些，如圖4（b）所示。

圖4　帶導水板的鍋爐內(nèi)部結構示意圖

3.3 改善制造工藝，消除管板與煙管間隙，避免管端過長

在制造過程中，嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，采用先脹后焊，焊后復脹，但此方法還會留有較小間隙。若想消除間隙，可采用以下方法：

1）減少煙管伸出量，強化管端冷卻效果。某公司在臥式燃油燃氣鍋爐的高溫區(qū)管板部位做了改進與嘗試，如圖5所示，取得了很好的效果[3]。

圖5　高溫區(qū)管板與煙管改良設計

2）采用全焊透結構設計，可借鑒德國菲斯曼公司的設計，采用“背水環(huán)”結構形式，如圖6所示。該結構雙面開U型坡口，鈍邊為1.5mm，內(nèi)測不焊，外側焊接，焊后進行消除焊接應力熱處理。該結構降低了應力水平，完全消除了間隙，強度高，不易產(chǎn)生裂紋[6]。另外，鍋爐制造時，嚴格控制煙管端口伸出焊縫長度，保證其不超過1.5mm。

圖6　管板“背水環(huán)”結構示意圖

3.4 加強水質(zhì)管理，杜絕鍋爐頻繁啟停

運行中，加強水質(zhì)管理，嚴格控制水質(zhì)硬度，合理配置水處理溶劑，防止因NaOH過量帶來的苛性脆化，使水質(zhì)符合《鍋爐水處理監(jiān)督管理規(guī)則》等相關標準的要求，以有效降低水垢的形成。及時監(jiān)控、檢測換熱管水垢情況，一旦發(fā)現(xiàn)結垢嚴重，可采用機械除垢，化學清洗等方法進行清除，提高熱水鍋爐效率。采取合理的鍋爐運行方式，避免鍋爐頻繁啟停和壓力頻繁波動。

4 結論

綜上所述，導致熱水鍋爐出現(xiàn)煙管管端及管板裂紋的主要原因有四種：1)由于轉煙室煙氣溫度較高，煙管伸出焊縫長度較長，且加上“入口效應”的影響，造成煙管管端過熱及管板熱負荷偏大；2)由于鍋爐水質(zhì)不合格，加之局部水循環(huán)不良，管板結垢嚴重，得不到有效冷卻，在管板表面引發(fā)“過冷沸騰”；3)由于煙管與管孔壁間存有間隙，間隙中汽水交變，加上鍋爐運行中頻繁啟停，產(chǎn)生溫差應力，最終導致煙管管端及管板產(chǎn)生裂紋。4)苛性脆化也能引起并加速裂紋的產(chǎn)生。

為防止管板及煙管管端產(chǎn)生裂紋，可采用管板煙氣側加裝隔熱層，降低管板熱負荷；加強水循環(huán)，強化管板區(qū)爐水擾流；改善制造工藝，消除管板與煙管間隙，避免管端過長；加強水質(zhì)管理，杜絕鍋爐頻繁啟停等措施。采取上述措施能夠有效防止管板及煙管管端裂紋的發(fā)生，延長鍋爐使用壽命，取得較大的社會和經(jīng)濟效益，對鍋爐的設計和安全運行，具有重要的參考價值。

參考文獻

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[河南省重點科技攻關計劃項目：132102210406]

[鄭州市產(chǎn)學研合作促進計劃項目：131PCXYY154]

收稿日期：（2015-07-20）

作者簡介：王明強(1989～)，男，碩士，從事熱能設備強化傳熱與節(jié)能技術研究工作。

文章編號：1673-257X(2016)03-0064-04

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.014

中圖分類號:X959

文獻標識碼：B