燃氣蒸汽鍋爐回燃室前管板及煙管管端開裂分析

羅兆生 李小良 李盛好 陳志慧 楊 毅 寧 濤

(廣西壯族自治區(qū)特種設備檢驗研究院桂林分院 桂林 541004)

2016年9月某日，桂林市某飲料生產(chǎn)企業(yè)一臺燃氣蒸汽鍋爐在運行中前煙箱出現(xiàn)蒸汽泄漏，經(jīng)停爐檢查，發(fā)現(xiàn)鍋爐前管板與煙管管頭連接部位有多條裂紋，裂紋自煙管管頭內(nèi)壁向外徑向延伸，部分裂紋延伸至管板。鍋內(nèi)汽水自前管板及煙管管頭開裂處泄漏到前煙箱，導致鍋爐停爐，未造成人員傷亡。

2017年1月12日，使用單位委托廣西壯族自治區(qū)特種設備檢驗研究院桂林分院（以下簡稱桂林分院）對該鍋爐泄漏事故進行原因分析。

1 檢驗情況

1.1 資料查閱

事故鍋爐型號 RB-2500[WNS4．0-1．25-Y(Q)]，出廠編號F203506，制造日期2009年12月，由杭州某熱能設備有限公司制造（許可級別B級），經(jīng)當?shù)靥胤N設備檢測院制造監(jiān)督檢驗合格。鍋爐技術參數(shù)、主要受壓部件分別見表1、表2。

表1 鍋爐主要技術參數(shù)

表2 鍋爐主要受壓元件

鍋爐安裝完成日期2010年2月，由成都鐵路鍋爐設備安裝修理廠負責安裝（安裝許可級別三級），經(jīng)桂林市特種設備監(jiān)督檢驗所監(jiān)督檢驗[1]合格。2010年2月投入運行，并于同年4月辦理了鍋爐使用登記證。

經(jīng)查閱：

1）鍋爐出廠設計文件、產(chǎn)品質(zhì)量合格證、制造監(jiān)督檢驗證書以及鍋爐安裝竣工資料、安裝監(jiān)督檢驗證書齊全，符合《鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》及其相關技術標準的規(guī)定。

2）鍋爐使用登記證、鍋爐作業(yè)人員證件齊全有效。

3）鍋爐歷次檢驗資料齊全，歷次檢驗發(fā)現(xiàn)的問題見表3。

表3 歷次檢驗發(fā)現(xiàn)的問題

4）使用單位未能提供鍋爐日常使用記錄、運行故障和事故記錄，根據(jù)使用單位出具的《關于鍋爐的運行情況說明》：鍋爐2010年2月投入運行，未實施過改造和重大修理，但因燃燒器點火故障更換過火焰檢測器。2011年10月～2014年10月停用，2010年2月～2011年9月，2014年11月～2016年9月正常使用鍋爐每天24h運行，工作壓力區(qū)間840～1207．5 Pa，鍋爐啟、停壓力分別為 1186．5 Pa和 1207．5 Pa，每小時鍋爐啟、停次數(shù)為3-5次。

1.2 宏觀檢查

依照《鍋爐定期檢驗規(guī)則》[2]對鍋爐進行宏觀檢查，檢查結果如下：

1）鍋爐內(nèi)部存水部位結有0．5～1．0mm厚的水垢，覆蓋率約60%，水垢顏色呈黃紅色。

建議將近年來比較成熟的科技創(chuàng)新政策與科研眾包平臺發(fā)展結合起來。如廣東省科技廳推動實施的科技創(chuàng)新券后補助政策，就是其中一項。獲得創(chuàng)新券使用許可的平臺，發(fā)包方可以在科研眾包平臺上使用科技創(chuàng)新券來支付創(chuàng)客的費用。首先這一方式符合科技創(chuàng)新券政策制定的初衷，即鼓勵和支持中小企業(yè)積極開展研發(fā)活動。其次，在科研眾包平臺上使用科技創(chuàng)新券，能讓所有參與科研活動的人，包括發(fā)包方和接包方都享受到政策恩惠，這也是普惠大眾的普惠性政策的最佳體現(xiàn)。最后，這一方式也會促使申領到科技創(chuàng)新券的企業(yè)到平臺上來發(fā)布技術難題，從而大大增加平臺的創(chuàng)新活躍度和交易量。

2）鍋殼（筒）、后管板、爐膽、拉撐件、各種管座、人手孔圈經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋、起槽、過熱、變形、泄漏、腐蝕、磨損等缺陷。

3）燃燒器、保溫、管道閥門、水處理設備、排污系統(tǒng)、安全附件齊全完好。

4）前管板與煙管、拉撐管進行了脹管，消除了管孔與管子間的間隙，前管板的煙管和拉撐管管端已刮至與前管板平齊，管端內(nèi)壁倒了圓角。前管板的煙管管頭發(fā)現(xiàn)36條裂紋，裂紋自煙管管頭內(nèi)壁向外徑向延伸，部分裂紋已延伸至管板（見圖1），鍋內(nèi)汽水自前管板及煙管管頭開裂處泄漏。前管板、煙管經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)明顯起槽、過熱、變形、腐蝕、磨損等缺陷。

圖1 前管板及前管板煙管管頭裂紋照片

1.3 壁厚測量

對鍋殼（筒）、前管板、后管板、爐膽、煙管、拉撐管進行超聲波測厚抽查，未發(fā)現(xiàn)明顯壁厚減薄（見表4）。

表4 壁厚測量數(shù)據(jù)

1.4 無損檢測

1）對后管板及與其連接的煙管、拉撐管管頭表面進行100%磁粉檢測[3]，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷；

2）對前管板及與其連接的煙管、拉撐管管頭表面進行100%滲透檢測[3]，發(fā)現(xiàn)36條裂紋，裂紋自煙管管頭內(nèi)壁向外徑向延伸，部分裂紋已延伸至管板，裂紋長度2～22mm。

1.5 硬度檢測

對鍋殼（筒）、前管板、后管板、爐膽進行硬度檢測抽查，檢測結果未見異常（見表5）。

表5 硬度抽查數(shù)據(jù)

1.6 化學成分分析

對鍋殼（筒）、前管板、后管板、爐膽進行抽查光譜分析，檢測結果符合《鍋爐和壓力容器用鋼板》[4]的要求，且與鍋爐出廠質(zhì)量證明書材料質(zhì)量證明基本一致（見表6）。

表6 化學成分檢測數(shù)據(jù)

1.7 顯微組織分析

對前管板、后管板、爐膽進行顯微組織分析[5]，分析結果見表7。

表7 顯微組織分析

2 事故原因分析

2.1 鍋爐結構因素

1）該鍋爐爐膽僅設置入口，爐膽內(nèi)的高溫煙氣在爐膽末端封板處折回爐膽入口，進入鍋爐前煙箱，前煙箱為高溫側[6]。

2）管板及與其連接的煙管管頭部位由于結構因素，存在較大集中應力[7]。

2.2 鍋爐運行因素

1）鍋爐啟、停爐的蒸汽壓力分別為1186．5Pa和1207．5 Pa，鍋爐每小時啟、停3～5次，正常運行時鍋爐啟、停爐累計達到7～11萬次。鍋爐頻繁啟、停致使鍋爐的受熱元件壁溫頻繁變化、引發(fā)交變熱應力。

2）2011年05月、2014年10月兩次鍋爐內(nèi)部檢驗以及該次鍋爐宏觀檢查均發(fā)現(xiàn)鍋爐存水部位結垢，厚度0．5～1．0mm，覆蓋率60%～80%。TSG G5003—2008《鍋爐化學清洗規(guī)則》第十四條規(guī)定：鍋爐受熱面被水垢覆蓋80%以上，并且水垢平均厚度達到1mm以上需要進行化學清洗。由于水垢導熱系數(shù)遠低于金屬導熱系數(shù)，嚴重影響鍋爐受熱元件與鍋水之間的熱量傳遞，導致受熱元件壁溫偏高，處于高溫側的前管板和煙管管頭的壁溫偏高幅度更大。

3）2012年 4月、2013年3月、2014年3月的鍋爐水質(zhì)檢驗均為不合格，根據(jù)TSG G5002—2010《鍋爐水（介）質(zhì)處理檢驗規(guī)則》，檢驗員提出了相關的整改要求和3個月的期限，使用單位未按要求重新抽樣檢測，無法監(jiān)測水質(zhì)各項指標，如果鍋水的全堿度、酚酞堿度、pH值持續(xù)過高或偏高，易于造成受熱元件堿脆，增加了產(chǎn)生裂紋的機率。

3 結論

1）該鍋爐的設計、制造及安裝質(zhì)量符合安全技術規(guī)范和相關標準的要求；

2）鍋爐水質(zhì)時常不達標、鍋內(nèi)長期結垢，鍋爐運行中各受熱元件因散熱不暢導致壁溫偏高；鍋爐啟、停頻繁，累計達7～11萬次，各受熱元件的壁溫變化頻繁、引起多次的熱應力交變；煙管與管板的連接部位由于結構原因，本身存在較大集中應力；處于高溫側的前管板與煙管的連接部位在壁溫偏高、應力集中、多次交變熱應力的共同作用下產(chǎn)生了疲勞裂紋。