燃?xì)忮仛ゅ仩t管板和煙管開裂原因分析及對策

李君喜

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院濟(jì)源分院 濟(jì)源 459000）

1 事故概況

2017年11月，某飲料生產(chǎn)企業(yè)一臺WNS8-1．25-Q鍋爐準(zhǔn)備啟動時，鍋爐發(fā)生嚴(yán)重泄漏事故，泄漏到爐膛的鍋水經(jīng)底排煙管流至前煙室向爐外流出，使用單位申請對鍋爐進(jìn)行檢驗。

2 鍋爐情況調(diào)查

2.1 鍋爐概況

該鍋爐結(jié)構(gòu)形式為鍋殼式全濕背順流三回程煙火管結(jié)構(gòu)，管板材質(zhì)Q245R，煙管材質(zhì)20，煙管與管板角焊縫連接；水處理方式為鍋外水處理（Na+離子交換）加鍋內(nèi)加藥；該鍋爐于2017年1月投用，配置煤氣燃燒器，投用初期燃用焦?fàn)t煤氣；當(dāng)年7月中旬，燃燒器經(jīng)過改造后，改燃天然氣。

2.2 鍋爐檢驗情況

檢查鍋爐回燃室，發(fā)現(xiàn)回燃室前管板、煙管及其連接焊縫有24處開裂并泄露；其中14處為煙管管端熱裂紋擴(kuò)展至煙管與管板的連接角焊縫，引起連接焊縫開裂，10處為管端熱裂紋擴(kuò)展至連接焊縫及管板，導(dǎo)致其一并開裂。檢查煙管與回燃室前管板的連接，發(fā)現(xiàn)鍋爐在制造中，有部分煙管漏脹或貼脹不到位，導(dǎo)致煙管與管孔壁存在間隙，最大間隙1mm左右；檢查所有煙管伸出其與管板連接焊縫的長度，均為5mm—9mm；檢查鍋爐的水垢厚度，為0．7mm—1mm；檢驗中還發(fā)現(xiàn)回燃室后管板上，位于鍋爐尾部檢查孔正上方產(chǎn)生局部過熱變形，變形面積約220mm×200mm，最大變形量約5mm；尾部檢查孔耐火混凝土及其包裹鋼圈被沖刷掉300mm；燃燒器被改造；鍋爐水處理設(shè)備出現(xiàn)故障不能正常投用，鍋爐出口（節(jié)能器前）煙氣測溫裝置損壞。

2.3 燃燒器改造情況調(diào)查

經(jīng)調(diào)查落實，燃燒器改造調(diào)試單位未取得燃燒器制造商的授權(quán)，未履行改造施工告知程序，無改造設(shè)計及改造記錄。

2.4 鍋爐水質(zhì)管理調(diào)查

查閱鍋爐水質(zhì)檢測記錄、水處理設(shè)備運(yùn)行記錄和水質(zhì)檢驗報告，并經(jīng)調(diào)查了解得知，7月初水質(zhì)檢測人員離崗后，鍋爐使用單位未開展鍋爐水質(zhì)檢測，鍋爐水處理系統(tǒng)因故障于7月中旬停用，鍋爐使用單位疏于鍋爐水質(zhì)管理，鍋爐結(jié)垢嚴(yán)重。

2.5 鍋爐運(yùn)行狀況調(diào)查

通過了解鍋爐操作人員觀察的爐膛火焰分布狀況，分析尾部檢查孔被嚴(yán)重沖刷的原因，可以認(rèn)定，燃燒器改造后，爐膛火焰發(fā)生了后移。通過了解鍋爐操作人員、查閱鍋爐設(shè)計、安裝資料及鍋爐運(yùn)行記錄，并調(diào)取控制系統(tǒng)中設(shè)定的鍋爐運(yùn)行參數(shù)得知，燃燒器改造前鍋爐出口煙溫為265℃左右，超溫報警設(shè)定值為290℃，燃燒器改造后鍋爐出口煙溫升至295℃左右（8月初溫測量裝置損壞后無煙溫記錄），為避免連續(xù)超溫報警，燃燒器調(diào)試人員將超溫報警值調(diào)整為300℃，鍋爐處于超溫運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)鍋爐運(yùn)行記錄，在燃燒器改造前后各一周的時間內(nèi)，供汽參數(shù)沒有發(fā)生明顯變化，鍋爐水垢在短時間內(nèi)也不會有明顯增加，而鍋爐出口煙溫升高了30℃左右，分析導(dǎo)致鍋爐出口煙溫明顯升高的原因，一是燃燒器改造調(diào)試不當(dāng)，燃燒負(fù)荷偏大，導(dǎo)致出口煙溫明顯升高，二是爐膛火焰后移會也使出口煙溫有所增加。

3 事故原因分析

3.1 鍋爐水垢的影響

鍋爐水垢導(dǎo)熱系數(shù)較小，不利于傳熱；如常見的混合型水垢，其導(dǎo)熱系數(shù)只有碳素鋼的幾十分之一；水垢越厚，產(chǎn)生的熱阻越大，對傳熱影響也越大。相關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明[1]，鍋爐工作壓力在1．4MPa，火側(cè)溫度在900℃—1200℃時，沒有結(jié)垢并能得到良好冷卻的鍋爐金屬溫度，只有215℃—250℃；當(dāng)鍋爐產(chǎn)生0．8mm—1mm厚混合型水垢時，鍋爐金屬溫度便提高134℃—160℃；金屬溫度升高到一定值，金屬的一些物理指標(biāo)和性能就會顯著下降；以Q245R材料為例（16mm＜厚度≤36mm），金屬溫度在200℃時，其許用應(yīng)力=124MPa，溫度上升到400℃，其許用應(yīng)力[σ]=86MPa，許用應(yīng)力值下降31%。該鍋爐產(chǎn)生0．7mm—1mm厚的水垢，已嚴(yán)重影響到鍋爐的正常傳熱，甚至?xí)饌鳠釥顩r惡化，使回燃室金屬溫度明顯升高、金屬強(qiáng)度下降，勢必導(dǎo)致煙管管端產(chǎn)生熱裂紋及受熱面過熱。

3.2 煙管伸出管板長度的影響

根據(jù)水火管工業(yè)鍋爐煙管管端開裂有限元分析[2]，在煙管的傳熱過程中，如果煙管伸出管板過長，伸出段的降溫梯度很小，煙管伸出段在傳熱過程中得不到及時冷卻，管端溫度會顯著升高，從而使得產(chǎn)生的熱應(yīng)力明顯增大；當(dāng)煙管伸出段長度達(dá)到一定值時，管端產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于金屬材料的強(qiáng)度，便產(chǎn)生熱裂紋，裂紋會并向連接焊縫及管板上擴(kuò)展，引起連接焊縫及管板開裂。所以，《鍋殼鍋爐（第4部分：制造、檢驗與驗收）》[3]4．4．9．4a)規(guī)定，對于與600℃以上的煙氣接觸的管板，焊接連接的煙管，管子超出其與管板連接焊縫的長度應(yīng)≤1．5mm。該鍋爐煙管伸出管板較長，所以便有為數(shù)不少的煙管產(chǎn)生管端開裂。

3.3 煙管與管孔壁間隙的影響

如果回燃室前管板與煙管之間存在間隙，間隙中很容易產(chǎn)生蒸汽阻滯[4]效應(yīng)，間隙中的鍋水通過傳熱很快被汽化，形成蒸汽膜附著在間隙周圍金屬表面，阻礙鍋水對間隙周圍金屬的冷卻，導(dǎo)致間隙周圍的金屬溫度明顯升高，金屬強(qiáng)度下降，從而加劇了煙管管端熱裂紋向間隙周圍的連接焊縫及管板上擴(kuò)展延伸，致使其開裂。因此，《鍋殼鍋爐（第4部分：制造、檢驗與驗收）》[5]4．4．9．4規(guī)定，對于與600℃以上的煙氣接觸的管板，焊接連接的煙管應(yīng)采取措施消除煙管與管孔壁的間隙。

3.4 燃燒負(fù)荷偏大的影響

如果燃燒器改造調(diào)試不當(dāng)造成燃燒負(fù)荷偏大，且超過鍋爐設(shè)計閾值上限時，由于鍋爐受熱面不能及時傳導(dǎo)增加的熱負(fù)荷，會導(dǎo)致鍋爐出口煙溫升高；鍋殼鍋爐結(jié)構(gòu)決定了回燃室煙溫升高的幅度會遠(yuǎn)大于出口煙溫的升幅；所以，燃燒負(fù)荷偏大容易導(dǎo)致回燃室煙管管端開裂及回燃室受熱面過熱。

3.5 爐膛火焰后移的影響

燃燒器改造調(diào)試不當(dāng)造成火焰后移，則會直接造成回燃室溫度升高，促進(jìn)回燃室受熱面過熱和管端開裂；火焰后移還有可能造成火焰與管板直接接觸，使與火焰直接接觸的管板局部熱負(fù)荷顯著增大，加劇管板產(chǎn)生局部過熱。

綜上分析，鍋爐嚴(yán)重結(jié)垢引起鍋爐傳熱狀況惡化，是導(dǎo)致事故發(fā)生的直接原因；鍋爐在制造中未能嚴(yán)格執(zhí)行《鍋殼鍋爐（第4部分：制造、檢驗與驗收）》4．4．9．4標(biāo)準(zhǔn)要求，造成煙管伸出段過長、煙管與管孔壁存在間隙是導(dǎo)致事故發(fā)生的間接原因；燃燒器改造調(diào)試單位違反《質(zhì)檢總局辦公室廳關(guān)于燃?xì)忮仩t風(fēng)險警示的通告》中關(guān)于燃燒器改造、調(diào)試應(yīng)有燃燒器制造商的授權(quán)的規(guī)定，未經(jīng)授權(quán)而實施燃燒器的改造、調(diào)試，且改造調(diào)試不當(dāng)致使燃燒負(fù)荷偏大，燃燒火焰后移，造成鍋爐超溫運(yùn)行，是導(dǎo)致事故發(fā)生的又一間接原因；鍋爐使用單位違犯《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》第十三條中“特種設(shè)備使用單位應(yīng)按照國家有關(guān)規(guī)定配備檢測人員”、第四十四條中“鍋爐使用單位應(yīng)按照安全技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行鍋爐水（介）質(zhì)處理”等規(guī)定，未配備鍋爐水質(zhì)檢測人員，水處理設(shè)備長期不能投用，對鍋爐運(yùn)行疏于管理，是導(dǎo)致事故發(fā)生的根本原因。

4 預(yù)防措施

1）加強(qiáng)鍋爐水質(zhì)運(yùn)行管理，配備鍋爐水質(zhì)檢測人員及儀器設(shè)備，保障水處理設(shè)備的正常運(yùn)行，保證鍋爐水質(zhì)符合工業(yè)鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，盡可能減緩或避免鍋爐產(chǎn)生水垢。

2）重視鍋爐制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，保證煙管不漏脹且貼脹到位；保證煙管伸出段長度符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3）燃燒器的改造調(diào)試要由燃燒器制造商授權(quán)的單位實施，對燃燒負(fù)荷的調(diào)整要保證鍋爐不超溫運(yùn)行；對火焰的調(diào)整，既要滿足火焰一定的充滿度，還要滿足火焰距爐膽壁不少于50mm、距爐膽出口不少于300mm的距離。

4）注重在鍋爐檢驗中發(fā)現(xiàn)隱患，對伸出段過長的煙管，要進(jìn)行切割或打磨消除。

5 結(jié)束語

隨著環(huán)保力度的加大和能源政策的調(diào)整，我國大部分地區(qū)，燃?xì)夤I(yè)鍋爐基本取代了傳統(tǒng)的燃煤鍋爐。燃?xì)夤I(yè)鍋爐自動化程度高，環(huán)保、節(jié)能效果好，但其運(yùn)行的風(fēng)險因素遠(yuǎn)高于燃煤鍋爐。就該案例的事故原因分析來看，導(dǎo)致鍋爐事故發(fā)生有諸多原因，但無一不存在人為的因素；要減少或避免鍋爐發(fā)生事故，就應(yīng)從鍋爐設(shè)計制造到使用管理的全環(huán)節(jié)入手，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)法律、法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，探索科學(xué)、有效的管理模式，最大限度地保障鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。