一臺(tái)電站鍋爐管端裂紋產(chǎn)生的原因分析

宋寅

摘 要：在對(duì)某化肥廠的一臺(tái)35t電站鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)的過(guò)程中，經(jīng)磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該鍋爐上下鍋筒的水冷壁管、對(duì)流管和下降管出現(xiàn)了大量的管端裂紋，存在嚴(yán)重的不安全隱患?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)鍋爐出現(xiàn)管端裂紋現(xiàn)象的分析，從結(jié)構(gòu)和運(yùn)行上闡述了鍋爐發(fā)生管端裂紋的原因及危害，并提出了幾項(xiàng)預(yù)防和改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐；磁粉檢測(cè)；管端裂紋

中圖分類號(hào)：TK228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）20-0057-02

Analysis on the Causes of Pipe end Crack in a Utility Boiler

SONG Yin

（Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016）

Abstract： In the internal inspection process of a 35t power plant boiler in a chemical fertilizer plant， it was found that a large number of pipe end cracks appeared in the water cooled wall tube， convective tube and descending pipe in the boiler tube and the lower boiler tube， and there were serious unsafe hidden dangers. Based on this， this paper through the analysis of the cracks in the tube end of the boiler， the cause and harm of the crack in the tube end of the boiler were expounded from the structure and operation， and several prevention and improvement measures were put forward.

Keywords： utility boiler；magnetic powder testing；tube end crack

1 鍋爐介紹

某化肥廠的電站鍋爐為國(guó)內(nèi)某鍋爐廠1979年制造，1980年投入使用，至檢驗(yàn)時(shí)已運(yùn)行近32年。由于該鍋爐制造時(shí)間較早，原設(shè)計(jì)圖紙、原始安裝資料以及其他技術(shù)資料遺失嚴(yán)重。因此，廠方不能提供詳細(xì)的原始出廠技術(shù)資料。據(jù)介紹：鍋爐型號(hào)為SHF35-2.45/400，制造編號(hào)不詳，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約33萬(wàn)h，最大蒸發(fā)量35t/h，設(shè)計(jì)出口壓力2.45MPa，設(shè)計(jì)出口溫度400 ℃，上、下鍋筒材質(zhì)均為20g，上鍋筒壁厚為28mm，下鍋筒壁厚20mm。

2 裂紋情況

檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)上下鍋筒水冷壁、對(duì)流管及下降管與鍋筒角焊縫及熱影響區(qū)均存在表面裂紋，形狀為發(fā)散狀，經(jīng)打磨測(cè)深6～7mm，具體情況如下。①上鍋筒：下降管6根，其中4根有裂紋，占67%；②前后及兩側(cè)水冷壁管56根，其中38根有裂紋，占68%；③對(duì)流管306根，其中202根有裂紋，占66%。④下鍋筒：對(duì)流管306根，其中236根有裂紋，占77%。

3 鍋爐管端裂紋產(chǎn)生的原因

3.1 結(jié)構(gòu)不合理

據(jù)廠內(nèi)管理人員介紹，該爐為北京鍋爐廠設(shè)計(jì)制造。原設(shè)計(jì)為脹接結(jié)構(gòu)，在安裝過(guò)程中改為焊接結(jié)構(gòu)，但是脹改焊未進(jìn)行工藝評(píng)定。脹接改為焊接后，現(xiàn)場(chǎng)焊接因鍋筒壁厚較厚，焊接后又無(wú)法進(jìn)行整體熱處理。這就必然導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)安裝施工過(guò)程中工藝有較多不合理處。鍋爐運(yùn)行30多年來(lái)，對(duì)流管曾經(jīng)更換過(guò)多次。1985年以后，就發(fā)現(xiàn)在上下鍋筒水冷壁管、對(duì)流管及下降管角焊縫及熱影響區(qū)部位開始出現(xiàn)裂紋，隨著連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的增加，1994年以后，出現(xiàn)裂紋的管端越來(lái)越多，基本上每2～3年都要對(duì)裂紋進(jìn)行處理，局部修理已超過(guò)3次以上，并且均未進(jìn)行焊后熱處理。

經(jīng)過(guò)分析，筆者認(rèn)為，脹接改為焊接后，現(xiàn)場(chǎng)焊接因鍋筒壁厚較厚，水冷壁管、對(duì)流管和下降管壁厚較薄，焊接后因現(xiàn)場(chǎng)條件所限無(wú)法進(jìn)行整體熱處理，現(xiàn)場(chǎng)安裝施工過(guò)程中工藝有較多不合理性，這是裂紋產(chǎn)生的主要因素[1]。

焊后不進(jìn)行熱處理，不能消除焊接過(guò)程中的應(yīng)力。在焊接過(guò)程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構(gòu)件本身產(chǎn)生拘束或外加拘束，焊接工作結(jié)束后，在構(gòu)件中總會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力在構(gòu)件中的存在，會(huì)降低焊接接頭區(qū)的實(shí)際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件破壞。消應(yīng)力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態(tài)下，其屈服強(qiáng)度下降，以達(dá)到松弛焊接應(yīng)力的目的[2]。

多次換管和超過(guò)3次以上的局部修理，都會(huì)對(duì)金屬組織產(chǎn)生直接影響。伴隨焊接施工，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布、焊縫金屬熱脹冷縮等。所以，多次焊接，其焊接接頭會(huì)出現(xiàn)淬硬組織，使材料的機(jī)械性能變壞。這種淬硬組織在焊接應(yīng)力及氫的作用下，可能導(dǎo)致接頭破壞。如果經(jīng)過(guò)熱處理以后，接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而可以改善焊接接頭的綜合機(jī)械性能[3]。

因此，鍋爐安裝過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)及圖紙、工藝要求進(jìn)行。脹改焊的改變，應(yīng)經(jīng)充分研究論證，要符合相關(guān)工藝設(shè)計(jì)要求才能進(jìn)行。未經(jīng)工藝評(píng)定就擅自改變其結(jié)構(gòu)，必然會(huì)對(duì)受壓元件造成較大影響。

3.2 頻繁啟停

據(jù)了解，該企業(yè)生產(chǎn)極不穩(wěn)定，該爐屬于調(diào)峰機(jī)組，有生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，立即點(diǎn)爐運(yùn)行，無(wú)生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，鍋爐立即停運(yùn)，啟停鍋爐未按照操作規(guī)程進(jìn)行，緊急啟用和緊急停爐是家常便飯。鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，由于生產(chǎn)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致鍋爐頻繁啟停，這也是促使管端裂紋出現(xiàn)的主導(dǎo)因素。點(diǎn)火升壓、升溫、升負(fù)荷速度太快，并且停爐冷卻過(guò)快，使?fàn)t內(nèi)冷熱不均勻，產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力。因負(fù)荷突減，氣壓突增，使壁厚較厚的鍋筒與壁厚較薄的水冷壁管、對(duì)流管和下降管的焊接角焊縫及熱影響區(qū)部位存在較大的溫差應(yīng)力，應(yīng)力高度集中處，因負(fù)荷和壓力波動(dòng)以及頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力周期變化，引起大應(yīng)力低周疲勞裂紋。

3.3 超負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行中負(fù)荷變化過(guò)大過(guò)快

近幾年化肥供給關(guān)系形勢(shì)好轉(zhuǎn)，企業(yè)效益看好，生產(chǎn)形勢(shì)極度緊張，鍋爐長(zhǎng)期超負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行中負(fù)荷變化過(guò)大過(guò)快。鍋爐長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高應(yīng)力的環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行，鍋筒的上下部及內(nèi)外部之間、管子與鍋筒之間，由于受熱不均勻，再加上不正常的運(yùn)行工況，往往能產(chǎn)生很大的溫差，妨礙自由膨脹或收縮。鍋爐在運(yùn)行中因受熱不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力或溫差應(yīng)力，熱應(yīng)力會(huì)經(jīng)常變動(dòng)，產(chǎn)生熱疲勞。加上結(jié)構(gòu)缺陷，使該部位的交變應(yīng)力進(jìn)一步加劇，在生產(chǎn)中經(jīng)常超負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，加速了裂紋的發(fā)展。

3.4 腐蝕作用

焊縫部位由于熱應(yīng)變作用會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，在腐蝕作用下，熱疲勞應(yīng)力不斷使裂紋尖端的保護(hù)膜破壞，形成腐蝕電池的陽(yáng)極，使裂紋不斷被腐蝕，加快了發(fā)展。

4 結(jié)論

筆者認(rèn)為，該裂紋的發(fā)生，不僅因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不合理，在使用管理上也有一定的問(wèn)題。要從根本上解決問(wèn)題，確保鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，企業(yè)在以后的工作中應(yīng)在以下幾個(gè)方面加以重視：①鍋爐在安裝過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)及圖紙、工藝要求進(jìn)行；脹改焊的改變，應(yīng)經(jīng)充分研究論證，要符合相關(guān)工藝設(shè)計(jì)要求；②運(yùn)行過(guò)程中，嚴(yán)格按照規(guī)程操作，盡量避免頻繁啟停；③堅(jiān)決杜絕長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，加強(qiáng)管理，提高水平，以保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；④企業(yè)應(yīng)制定更新計(jì)劃，超過(guò)設(shè)計(jì)壽命的鍋爐應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更新，避免超期服役現(xiàn)象發(fā)生；⑤加強(qiáng)出廠技術(shù)資料的管理，管理人員應(yīng)對(duì)技術(shù)資料借閱等進(jìn)行登記；⑥企業(yè)應(yīng)建立健全金相監(jiān)督和化學(xué)監(jiān)督制度，設(shè)置金相監(jiān)督和化學(xué)監(jiān)督的專職人員，設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備，對(duì)鍋爐材質(zhì)的變化做到心中有數(shù)[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]戈曉嵐，楊興華.金屬材料與熱處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]趙敩，朱兆富.動(dòng)力鍋爐檢驗(yàn)及故障分析[M].北京：勞動(dòng)人事出版社，1985.

[3]李之光，王銑慶，劉曼青，等.鍋爐安全基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1980.

[4]陳學(xué)俊，陳聽寬.鍋爐原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，1981.