關(guān)于鰭片超溫撕裂受熱面管的典型案例分析

趙勇

摘要：本文主要分析了某鍋爐廠制造的一臺蒸汽發(fā)生器在使用過程中發(fā)生了水冷壁管被鰭片撕裂滲漏現(xiàn)象，對這一典型案例進(jìn)行分析說明，以供參考。

關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器;鰭片撕裂;受熱面管;案例分析

1前言

近年來，隨著國家對鍋爐產(chǎn)品的安全、能效、環(huán)保要求的不斷提高，使得對鍋爐制造單位和使用單位的要求也越來越高。在市場需求的催生下，使得小型蒸汽發(fā)生器得到了廣泛的應(yīng)用。但因其產(chǎn)品定位在D級鍋爐或正常水容量小于30L的特種設(shè)備范疇之外，致使在生產(chǎn)使用過程中缺少相關(guān)部門的有效監(jiān)督，使產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，存在著一定的安全隱患。

最近，某鍋爐廠制造的一臺蒸汽發(fā)生器，在使用過程中就發(fā)生了水冷壁管被鰭片撕裂滲漏現(xiàn)象，如下面圖片一至圖片四所示。因其損傷案例比較典型，特作如下分析說明。

2制造單位采用此種爐型的目的和優(yōu)點

該設(shè)備為正常工作水容量小于30L且額定蒸發(fā)量為0.2t/h的燃天然氣蒸汽發(fā)生器，不屬于特種設(shè)備目錄范疇，不需要也未經(jīng)過制造監(jiān)督檢驗。由圖片可以看出，此蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)由下環(huán)型集箱，四周水冷壁管及上部節(jié)能器組成。鍋爐燃燒室采用了類似于膜式水冷壁的結(jié)構(gòu)，只是把管子間的鰭片換成了45°軸向布置的角鋼，水冷壁規(guī)格為φ51×3.0mm，節(jié)距為90mm，角鋼規(guī)格為40×40×3mm，在燃燒器接口區(qū)域的鰭片寬度為210mm，厚度為3mm。燃燒室用水冷壁管代替爐膽，目的是減少鍋爐的水容量，而采用類似膜式壁結(jié)構(gòu)，可有效減少燃燒室（爐膛）的散熱損失，提高燃燒效率，不僅保證鍋爐的額定出力，且對鍋爐外包還能起到一定的保護(hù)作用。

3此爐型存在的問題和可能導(dǎo)致的損壞

首先，制造單位為了防止燃燒機(jī)的火焰直接沖刷受熱面管，造成受熱面管過早結(jié)垢損壞，用耐火泥將燃燒器接口對面的受熱面管進(jìn)行了覆蓋，但這樣就進(jìn)一步減少了燃燒室的受熱面，加大了燃燒室（爐膛）的熱負(fù)荷，會造成燃燒室（爐膛）的溫度過高。

其次，已有成熟的研究表明：鰭片中心表面溫度與鰭片寬度的平方成正比，與鰭片厚度成反比。即在鰭片厚度不變的情況下，鰭片越寬，其中心表面溫度就越高，鰭片區(qū)域的溫差應(yīng)力也越大，由熱疲勞導(dǎo)致的開裂情況就越嚴(yán)重，而單純由鰭片過寬引起的開裂多是在鰭片中心部位發(fā)生的變形開裂。而該爐型燃燒器接口處的鰭片（或者稱之為扁鋼）寬度達(dá)210mm，僅考慮了燃燒室的密封作用，忽視了扁鋼的有效冷卻問題，而特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范中明確要求：膜式壁等結(jié)構(gòu)中與管子焊接的扁鋼，其膨脹系數(shù)應(yīng)當(dāng)和管子相近，扁鋼寬度的確定應(yīng)當(dāng)保證在鍋爐運行中不超過其金屬材料許用溫度，焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保證扁鋼有效冷卻。根據(jù)文中圖片四的顯示可以清楚地看到，該鍋爐燃燒器接口處的扁鋼已明顯過燒變形，并在扁鋼中心部位產(chǎn)生了橫向斷裂，這就是沒充分考慮上述安全技術(shù)規(guī)范要求所帶來的直接后果。

另外，因鰭片與管子在正常工況下的換熱狀況不同，造成管子與鰭片的熱膨脹量不可能完全一致，所以在他們之間會產(chǎn)生應(yīng)力。而鰭片與管子的焊縫組織特點導(dǎo)致其疲勞強(qiáng)度比母材要低得多，所以在鰭片寬度設(shè)計合理的情況下，水冷壁鰭片的疲勞損傷首先在焊縫處發(fā)生是有理論基礎(chǔ)支撐的。而針對該臺鍋爐，鰭片（扁鋼）與水冷壁管的焊接采用的是手工二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，因其不屬于特種設(shè)備，所以焊接工藝和工藝紀(jì)律的執(zhí)行也缺少有力的監(jiān)督，鋼管與扁鋼的焊縫熔深、未熔管壁厚度等關(guān)鍵要素也得不到有效控制。而該蒸發(fā)器的水冷壁管壁厚只有3mm，上述要素的控制就更為重要。所以在焊接質(zhì)量等綜合因素影響下，主要是扁鋼尺寸過寬無法得到有效的冷卻，在扁鋼自身的溫差內(nèi)應(yīng)力和水冷壁管與扁鋼膨脹量不同所帶來的疲勞應(yīng)力的共同作用下，最終導(dǎo)致扁鋼與水冷壁的連接焊縫處撕裂并貫穿母材造成滲漏（見圖片二）。

由上述分析可見，解決該爐型燃燒器接口處鰭片（扁鋼）開裂及其與水冷壁連接焊縫處撕裂的簡單有效方法是：在扁鋼密封板上焊接適當(dāng)數(shù)量的抓釘，并涂敷耐火泥進(jìn)行絕熱處理。但此爐型的爐膛熱負(fù)荷及鍋爐熱效率等問題需制造單位另行考慮。

4結(jié)束語

總之，最后需要說明的是，鍋爐膜式管屏的應(yīng)用已有多年，尤其在大型鍋爐機(jī)組上的應(yīng)用更為廣泛，其很多優(yōu)點都已得到業(yè)界的普遍認(rèn)同，且生產(chǎn)加工工藝也相對成熟，普遍采用自動化生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行焊接彎制等，質(zhì)量穩(wěn)定有保證。近幾年，不少蒸發(fā)器生產(chǎn)廠家把此技術(shù)應(yīng)用到蒸汽發(fā)生器的設(shè)計制造上，由于受工裝設(shè)備的限制且大量采用手工焊，無論是冷作加工質(zhì)量還是焊接裝配質(zhì)量都無法達(dá)到相關(guān)鍋爐專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（作者單位：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院）