WNS鍋爐回燃室管孔區(qū)開裂泄漏的事故分析

王曉峰 洪萬(wàn)億

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院泉州分院 泉州 362000）

隨著西氣東輸工程的推進(jìn)以及LNG（液化天然氣）船舶運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，泉州地區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿酪哑占埃蕴烊粴鉃槿剂系腤NS臥式內(nèi)燃蒸汽鍋爐的數(shù)量迅猛增長(zhǎng)。本文對(duì)一起WNS鍋爐的回燃室管板管孔區(qū)出現(xiàn)大量裂紋并開裂、泄漏的案例進(jìn)行調(diào)查和分析，找出事故的原因。促進(jìn)該類型鍋爐的安全生產(chǎn)。

1 事故概況

1.1 檢驗(yàn)概況

事故鍋爐的型號(hào)為WNS10-1.25-Y.Q，屬于典型的三回程臥式內(nèi)燃鍋殼鍋爐，使用燃料為天然氣。火焰于爐膽內(nèi)燃燒，煙氣由爐膽流至回燃室再到第二回程煙管，在前煙室折返至第三回程煙管，再進(jìn)入鍋爐后部煙道，經(jīng)煙囪進(jìn)入大氣。該鍋爐于2013年出廠，2014年5月投入使用。連續(xù)使用3年后，在內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)回燃室管板管孔區(qū)域普遍存在向外輻射狀裂紋427條，幾乎每個(gè)管孔都有裂紋存在，見圖1、圖2、圖3。部分裂紋已裂穿，并伴有鍋水漏出，見圖2?；厝际一饌?cè)底部堆積大量結(jié)晶顆粒并有積水聚集。鍋爐本體水側(cè)水位線以下普遍結(jié)有水垢，平均厚度約1.0mm。該鍋爐煙管與管板焊接工藝為預(yù)脹消除間隙后進(jìn)行手工電弧焊焊接。檢查回燃室水側(cè)，未見煙管與管板有明顯間隙。各受壓元部件未見明顯變形，未見其他缺陷。該鍋爐缺陷部位煙管采用φ70mm×3.5mm螺紋鋼管，牌號(hào)為20（GB/T 8163）。管板材料為Q245R（GB 713），焊材為E4315（E5015）。經(jīng)取樣進(jìn)行化學(xué)分析，焊縫和母材成分符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。鍋爐本體上的安全閥、壓力表型號(hào)及數(shù)量符合設(shè)計(jì)要求，且均可正常工作并在檢定有效期內(nèi)。按TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求，本次內(nèi)部檢驗(yàn)結(jié)論為“不符合要求”[1]，并立即向特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門上報(bào)。截至收稿時(shí)使用單位已拆除有缺陷的鍋爐并辦理完成特種設(shè)備使用登記變更（注銷）手續(xù)。

圖1 管孔區(qū)普遍存在裂紋

圖2 回燃室管板泄漏區(qū)

圖3 右側(cè)管板上裂紋

1.2 缺陷分析

該鍋爐的主要缺陷為承壓部件存在裂紋和泄漏。圖3中裂紋位于右側(cè)，為最長(zhǎng)裂紋，長(zhǎng)度超過(guò)30 mm、已貫穿管板孔橋。煙管內(nèi)部表面裂紋最長(zhǎng)為23.3mm。泄漏主要集中在爐膽煙氣出口的左右兩側(cè)和上部的管孔區(qū)，共三個(gè)區(qū)域，見圖2。由圖2中左右兩側(cè)回燃室筒體上沖擊痕跡，可判斷出鍋水垂直煙管軸向延管板表面向外噴射，形成沖擊痕跡的泄漏點(diǎn)位于煙管與管板焊接接頭，圖4為左側(cè)管板較為明顯的一處泄漏點(diǎn)。由白色鍋水結(jié)晶物形態(tài)可判斷出鍋水一部分由煙管管壁外側(cè)焊接接頭的裂口向外噴射，另一部分穿過(guò)煙管管壁裂紋，緩慢向管內(nèi)滲漏。

圖4 左側(cè)泄漏點(diǎn)

1.3 潛在隱患

該型號(hào)鍋爐的回燃室管板為煙氣流程上游部分，工作溫度僅低于爐膽，工作環(huán)境惡劣。管板表面普遍存在向外輻射狀裂紋，呈蛛網(wǎng)狀，部分裂紋已貫穿管板孔橋表面。裂紋尖端處存在應(yīng)力集中，如該鍋爐繼續(xù)運(yùn)行，在較小垂直應(yīng)力作用下可導(dǎo)致各裂紋迅速擴(kuò)展。鍋水從裂口滲出可冷卻裂口附近金屬，隨后被熾熱的煙氣及炙熱金屬蒸發(fā)，鍋水蒸發(fā)吸收熱量，同樣起到冷卻金屬作用。金屬表面的熱脹冷縮產(chǎn)生各種交變應(yīng)力，加速裂紋擴(kuò)展。如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋及泄漏缺陷，裂紋擴(kuò)展形成網(wǎng)格，導(dǎo)致管板強(qiáng)度嚴(yán)重削弱，可引發(fā)鍋爐爆炸事故。

2 原因分析

2.1 裂紋起點(diǎn)

各較長(zhǎng)裂紋位于管板、煙管和兩者相連的焊縫上，開裂方向垂直于焊接接頭，呈放射狀分布于管孔周向上。最小可分辨的裂紋僅有0.5mm長(zhǎng)，大多位于煙管管端，而有的裂紋長(zhǎng)達(dá)幾十毫米。各裂紋數(shù)量眾多、位置和形態(tài)相似，僅長(zhǎng)度和深度不盡相同。因此，可推斷大多數(shù)裂紋的成因相同，只是處于生成、發(fā)展和開裂的不同階段。每條大裂紋都是由小裂紋發(fā)展而來(lái)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)度小于3.5mm（煙管壁厚）的裂紋共有177條，均位于煙管管端，見圖1、圖5。而其他較長(zhǎng)裂紋都有連通到煙管管端上。如這些裂紋形成和擴(kuò)展的原因不消除，小裂紋可發(fā)展成大裂紋。則可推斷出煙管管端小裂紋為多數(shù)開裂缺陷的始發(fā)狀態(tài)，煙管管端即為多數(shù)裂紋的起點(diǎn)。

圖5 新生小裂紋

2.2 裂紋成因

●2.2.1 火焰直接加熱管孔區(qū)

該使用單位共有2臺(tái)在用蒸汽鍋爐，一臺(tái)10t和一臺(tái)6t。該廠日常用汽量并不均衡，每日有幾個(gè)用汽高峰時(shí)段，其它時(shí)間則用汽較少。一段時(shí)間內(nèi)6t鍋爐因故障停用，僅10t鍋爐投入使用。用汽高峰時(shí)需用蒸汽量遠(yuǎn)超10t/h，蒸汽供不應(yīng)求。該鍋爐水位急劇下降，導(dǎo)致水位報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)動(dòng)作、自動(dòng)停爐，無(wú)法滿足供汽要求。司爐人員關(guān)閉水位報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)，手動(dòng)控制。采用預(yù)判手動(dòng)加水的方法保證鍋爐水位。使用單位私自調(diào)節(jié)多級(jí)調(diào)壓閥，提升燃燒機(jī)頭的燃?xì)廨斎雺毫?，增加熱量輸入，目的是提升該鍋爐蒸發(fā)量。

查詢?cè)撳仩t主蒸汽管道流量計(jì)記錄，該鍋爐最大蒸發(fā)量超過(guò)12t/h。增加燃?xì)廨斎肓亢蛧娚鋲毫?，引起爐內(nèi)火焰長(zhǎng)度增加，本應(yīng)在爐膽內(nèi)燃燒的火焰延長(zhǎng)至回燃室，火焰直接灼燒回燃室管板、煙管和連接它們的焊接接頭?；鹧鏈囟瘸^(guò)1000℃，可使管孔區(qū)表面溫度超過(guò)設(shè)計(jì)值。高溫?zé)煔馀c火焰劇烈沖刷煙管管端，管頭的邊緣效應(yīng)增強(qiáng)，煙管管端溫度局部升高，強(qiáng)度降低。文獻(xiàn)[2]中建立了鍋爐煙管、管板及焊縫的2D模型并利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，得出了圖6中溫度分布云圖。該模型與本案例中管板結(jié)構(gòu)相同。本案管孔區(qū)與圖6中溫度場(chǎng)分布相似，管端溫度最高。尤其是煙管管端內(nèi)側(cè)邊緣，距離鍋水最遠(yuǎn)、煙氣沖刷也最劇烈、溫度最高、強(qiáng)度降低且應(yīng)力最大，本文中裂紋起點(diǎn)大多在這個(gè)位置上，見圖5。圖6展示出管孔的軸向剖面結(jié)構(gòu)，煙管管端內(nèi)外邊緣處截面為直角，直角尖端幾何面積小、強(qiáng)度低，在同樣的應(yīng)力下較管內(nèi)部位容易破壞。煙管管端金屬受熱膨脹，被焊接接頭和管板的約束，受到壓應(yīng)力。燃燒機(jī)停止工作時(shí)，灼熱的煙管管端溫度降低，向內(nèi)收縮，同樣受到管板拘束，受到拉應(yīng)力。拉應(yīng)力垂直作用于煙管管端薄弱處，可產(chǎn)生如圖1、圖5的細(xì)小裂紋。

用汽高峰期因鍋爐產(chǎn)生的蒸汽供不應(yīng)求，鍋爐出口壓力一直保持在較低水平（0.4～0.5MPa），回燃室管板平均溫度在159℃以下。該廠用汽量低的時(shí)候，司爐操作人員開啟水位自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)裝置。因調(diào)節(jié)各調(diào)壓閥參數(shù)相對(duì)比較專業(yè)和麻煩，各調(diào)壓閥并未被調(diào)回原參數(shù)。燃燒機(jī)頭工作時(shí)噴射火焰仍可直接灼燒回燃室中的煙管管端。與高峰期不同，蒸汽供大于求，此時(shí)鍋筒內(nèi)蒸汽壓力上升至1.1MPa（超壓聯(lián)鎖啟動(dòng)的壓力）則自動(dòng)停爐，鍋筒蒸汽壓力基本在1.0至1.1MPa至間波動(dòng)。此時(shí)回燃室管板平均溫度提升到184℃以上。該鍋爐在高低負(fù)荷兩種工況間不斷切換，回燃室管板平均溫度周期性變化，不斷膨脹和收縮。回燃室管板對(duì)其中的煙管、管板孔橋及二者的焊接接頭產(chǎn)生相應(yīng)的擠壓和拉伸，這種交變應(yīng)力成為管孔區(qū)裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的必要條件。

圖6 溫度分布云圖[2]

●2.2.2 水循環(huán)不暢

該鍋爐為臥式內(nèi)燃鍋爐，鍋爐水循環(huán)回路不高，自然循環(huán)流動(dòng)的“動(dòng)壓頭”較小[3]。圖2中，“管板上部”泄漏區(qū)剛好位于爐膽上部密集煙管中心、靠近爐膽的位置，此處水循環(huán)速度慢。泄漏位置鍋水受煙管、爐膽和管板加熱，迅速汽化。同時(shí)周圍的煙管、爐膽和管板也在蒸發(fā)附近鍋水，可起到阻擋作用，鍋水難以及時(shí)補(bǔ)充。而圖2中兩側(cè)的泄漏區(qū)相互對(duì)稱，煙管布置在爐膽外側(cè)；與“管板上部”泄漏區(qū)一樣受到上、下側(cè)高溫?zé)煿?、外?cè)的低溫區(qū)煙管及內(nèi)側(cè)爐膽的影響，水循環(huán)不暢。鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行，鍋水蒸發(fā)特別劇烈。在這三處水循環(huán)不暢位置的受熱面金屬溫度最高、應(yīng)力大，也是泄漏最嚴(yán)重的部位。

●2.2.3 水垢堆積

該鍋爐本體水側(cè)水位線以下普遍結(jié)有水垢，厚0.5～1.5mm不等。第二回程煙管和爐膽靠近回燃室及回燃室水側(cè)結(jié)垢較厚，見圖7。水垢的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于受熱面金屬，水垢在一定程度上阻礙受熱面金屬的冷卻。煙管和回燃室部分片狀水垢已脫落。水垢聚集于煙管和管板間空隙，可進(jìn)一步惡化水循環(huán)，導(dǎo)致受熱面金屬冷卻不良。

圖7 水側(cè)水垢

●2.2.4 部分煙管管端長(zhǎng)度超標(biāo)

GB/T 16508—2013《鍋殼鍋爐》10.5.8規(guī)定“當(dāng)用于煙溫大于600℃的部位時(shí)，管端超出焊縫的長(zhǎng)度不應(yīng)大于1.5mm”。該鍋爐回燃室煙氣溫度超過(guò)600℃，符合該條規(guī)定。而現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，該鍋爐煙管與管板焊腳高度不均勻，多處煙管伸出長(zhǎng)度超標(biāo)，其中管端超出焊縫的最大長(zhǎng)度為4.5mm。管端伸出長(zhǎng)度過(guò)大使管端金屬無(wú)法有效冷卻，可導(dǎo)致各種缺陷。

以上原因?qū)е鹿芏藴囟壬摺?qiáng)度降低。煙管管端受到交變載荷作用，管端薄弱位置在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生細(xì)小裂紋，小裂紋在交變應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展。裂紋長(zhǎng)度和深度不斷增加，直至貫穿管板與煙管的焊接接頭，煙管部分裂穿。

3 結(jié)論及建議

綜上所述，引起本次泄漏事故的原因有：火焰直接接觸管孔區(qū)、鍋爐水循環(huán)不暢、水側(cè)結(jié)垢和煙管管端伸出長(zhǎng)度超標(biāo)等。這些原因有的比較特殊，有的帶有普遍性，各種原因共同作用造成本次事故。筆者認(rèn)為造成本次事故的主要原因[4]為使用單位周期性超負(fù)荷運(yùn)行鍋爐，私自調(diào)高燃燒機(jī)頭入口的天然氣壓力，導(dǎo)致火焰直接接觸回燃室管孔區(qū)。次要原因[4]是鍋爐水循環(huán)不暢、水側(cè)結(jié)垢和煙管管端伸出長(zhǎng)度超標(biāo)等。使用單位特種設(shè)備安全管理人員和司爐操作人員技術(shù)水平不足且安全意識(shí)淡薄，私自調(diào)節(jié)天然氣輸入壓力，故意超負(fù)荷運(yùn)行鍋爐，致使?fàn)t內(nèi)火焰延長(zhǎng)并接觸到回燃室管孔區(qū)。這種人的不安全行為是本次事故的直接原因[4]。同制造廠的該類型鍋爐有10臺(tái)以上在某地區(qū)長(zhǎng)期運(yùn)行，僅此一臺(tái)出現(xiàn)泄漏事故，事故鍋爐的使用單位有著不可推卸的責(zé)任。

各燃?xì)忮仩t使用單位和安裝單位應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)火焰。對(duì)于設(shè)計(jì)要求火焰在爐膽內(nèi)燃燒的，應(yīng)保證火焰長(zhǎng)度不得超出爐膽范圍。鍋爐使用單位不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間或是過(guò)量超負(fù)荷運(yùn)行鍋爐。以加強(qiáng)燃燒的方式提升鍋爐蒸發(fā)量，不但會(huì)加快鍋爐損耗、影響其壽命，還會(huì)帶來(lái)安全隱患。使用單位應(yīng)當(dāng)提升鍋爐水質(zhì)管理、加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，及時(shí)清除受熱面上及鍋內(nèi)堆積的水垢。

鍋爐制造單位應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施，改進(jìn)該類型鍋爐的水循環(huán)。加強(qiáng)鍋爐制造過(guò)程中質(zhì)量管理，提升煙管與管板角焊縫的焊接質(zhì)量。加強(qiáng)鍋爐出廠前外觀檢查，防止煙管管端伸出長(zhǎng)度超標(biāo)。