承壓蒸汽鍋爐煙管開裂原因

李朝輝, 蓋躍華

(深圳市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督評(píng)價(jià)事務(wù)所, 深圳 518000)

某藥廠購(gòu)置的WNS15-1.25-Q型鍋爐為典型的臥式三回程燃?xì)庹羝仩t(以下簡(jiǎn)稱蒸汽爐)。該蒸汽爐自投入使用以來，采取“一備一用”的方式交替使用，運(yùn)行約600 d后對(duì)鍋爐進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)鍋爐煙管端頭處出現(xiàn)大量裂紋。

該蒸汽爐在投入使用一年多時(shí),出現(xiàn)過防爆門過燒和煙室孔圈燒穿現(xiàn)象，采用重新砌筑耐火墻，將防爆門改為檢查門的方式進(jìn)行了處置。

該蒸汽爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸及材料為：額定蒸發(fā)量為15 t/h；額定蒸汽壓力為1.25 MPa；額定蒸汽溫度為194 ℃；給水溫度為20 ℃；耐壓試驗(yàn)壓力為1.65 MPa；計(jì)算天然氣消耗量為1 293 Nm3/h。波形爐膽尺寸為1 200 mm×18 mm(外徑×壁厚)，L2(爐膽長(zhǎng)度)為4 070 mm，材料為Q245R鋼；回燃室(燃盡室)尺寸為2 000 mm×18 mm(外徑×壁厚)，L3(鍋爐回燃室長(zhǎng)度)為650 mm，材料為Q245R鋼；回燃室后管板尺寸為2 000 mm×18 mm(外徑×壁厚)，材料為Q245R鋼；蒸汽爐外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為6.65 m×2.76 m×3.23 m 。為查明該蒸汽爐煙管開裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)以及熱力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

蒸汽爐煙管端頭宏觀形貌如圖1所示，由圖1可以看出，煙管管端部位有軸向穿透裂紋，裂紋從管端沿軸向擴(kuò)展到角焊縫位置，裂紋透過角焊縫擴(kuò)展至管板管孔內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量得到：管頭伸出管板長(zhǎng)度(管端至管板面距離)I為10～13 mm；管子與管板焊腳高度l1為3～4 mm；管子超出其與管板連接焊縫的長(zhǎng)度l2為6～10 mm；焊腳寬度(徑向尺寸)l3為4～5 mm；管子中心距h為80 mm，管橋h1為10 mm；管端穿透(管壁)裂紋長(zhǎng)度a1為15～20 mm；角焊縫上裂紋(沿徑向)長(zhǎng)度a2為3～5 mm。

圖1 蒸汽爐煙管端頭宏觀形貌

煙管端頭斷裂成兩部分，在端面可觀察到深度不等的7條裂紋，且裂紋均穿透壁厚(見圖2)。圖2中箭頭所指部位表面有氧化皮和裂紋，并且氧化皮較厚。

圖2 煙管端頭裂紋和氧化皮宏觀形貌

1.2 掃描電鏡(SEM)分析

將斷口清洗后，用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)斷口仍存在較多的氧化皮，煙管斷口的微觀形貌如圖3所示。由圖3可知：裂紋從內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展；斷口上有二次裂紋和弧形線，二次裂紋是從煙管端頭部位產(chǎn)生的；斷口上有較厚且致密的氧化皮；靠近管板焊縫位置的斷口上存在二次裂紋。根據(jù)斷口的特點(diǎn)，可以推斷斷裂形式為高溫?zé)崞陂_裂。

圖3 煙管斷口裂紋氧化皮微觀形貌

煙管端頭橫截面微觀形貌如圖4所示，由圖4可知：煙管端頭部位有多條裂紋，內(nèi)表面裂紋數(shù)量比外表面裂紋數(shù)量多。

圖4 煙管端頭橫截面微觀形貌

將橫截面分為A～D 4個(gè)區(qū)域，4個(gè)區(qū)域的顯微組織形貌如圖5所示。A區(qū)顯微組織為鐵素體和3級(jí)球化珠光體[見圖5a)]；B區(qū)顯微組織與A區(qū)相同，珠光體球化程度達(dá)到3級(jí)[見圖5b)]；C區(qū)的顯微組織中出現(xiàn)少量的魏氏組織[見圖5c)]；D區(qū)的顯微組織為粗大的4級(jí)魏氏組織[見圖5d)]。

圖5 煙管端頭不同位置的顯微組織

2 熱力計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核分析

按照相關(guān)文獻(xiàn)[1-2]和標(biāo)準(zhǔn)TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)蒸汽爐進(jìn)行熱力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核,同時(shí)對(duì)蒸汽爐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分別按照蒸發(fā)量15 t/h和10 t/h進(jìn)行校核，關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 蒸汽爐熱力計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算結(jié)果

對(duì)表1的熱力計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)果如下所述。

(1) 按照蒸汽量15 t/h能力設(shè)計(jì)，制造單位生產(chǎn)的蒸汽爐在結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重問題。表1中15 t/h蒸汽爐的爐膽直徑為1.4 m，爐膽長(zhǎng)度為6.2 m。WNS15-1.25-Q型鍋爐為定型鍋爐，國(guó)內(nèi)多家鍋爐廠都生產(chǎn)該型號(hào)鍋爐，爐膽直徑均為1.4 m，爐膽長(zhǎng)度均大于6 m。該次事故的蒸汽爐爐膽直徑僅為1.2 m，長(zhǎng)度僅有4.07 m，總體結(jié)構(gòu)尺寸均比國(guó)內(nèi)同型號(hào)鍋爐的尺寸小。

(2) 蒸汽爐按照15 t/h的天然氣量運(yùn)行，爐膽長(zhǎng)度按照現(xiàn)有實(shí)際長(zhǎng)度計(jì)算，回燃室溫度可達(dá)到1 350 ℃左右；三回程出口溫度超過300 ℃，高于設(shè)計(jì)的額定溫度；火焰長(zhǎng)度達(dá)5.93 m，直接穿透鍋爐后側(cè)。在查驗(yàn)維修記錄時(shí)，發(fā)現(xiàn)有設(shè)備在投產(chǎn)一年后，防爆門出現(xiàn)燒紅及孔圈燒穿現(xiàn)象，說明設(shè)備運(yùn)行過程中火焰已經(jīng)到達(dá)防爆門處，火焰溫度約達(dá)到1 400℃。

(3) 按照蒸汽爐的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行校核計(jì)算，該爐按10 t/h爐參數(shù)運(yùn)行勉強(qiáng)符合要求，但爐膽長(zhǎng)度不夠，回燃室溫度和排煙溫度均偏高。如果天然氣消耗量為800～900 Nm3/h，基本相當(dāng)于10 t/h爐參數(shù)運(yùn)行。如果天然氣流量超過850 Nm3/h，鍋爐仍存在安全隱患。

綜上所述，蒸汽爐原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題，即爐膽尺寸過短。雖然爐體標(biāo)牌是15 t/h的蒸汽爐，但實(shí)際總體結(jié)構(gòu)基本屬于10 t/h的蒸汽爐結(jié)構(gòu)，配備15 t/h的燃燒器，即燃燒室長(zhǎng)度與燃燒機(jī)火焰長(zhǎng)度不匹配。按照15 t/h的天然氣量運(yùn)行，必然造成爐體部件燒壞和安全事故，且浪費(fèi)天然氣原料；10 t/h蒸汽爐勉強(qiáng)可以在安全情況下運(yùn)行，但仍存在安全隱患。

3 綜合分析

煙管斷面的顯微組織是鐵素體、球化3級(jí)珠光體和魏氏組織，顯微組織的變化說明煙管端頭溫度發(fā)生了較大變化，使珠光體中的碳化物發(fā)生了球化分解；魏氏組織的形成說明了煙管的端頭部位溫度較高，約在1 100℃以上，顯微組織發(fā)生相變。魏氏組織可降低材料的韌性。

斷口周圍沒有任何塑性變形，斷口上有較厚的氧化皮和二次裂紋，說明在高溫下產(chǎn)生脆性開裂。煙管端頭形成的魏氏組織降低了材料的韌性，增加了組織應(yīng)力，可促進(jìn)裂紋的形成與擴(kuò)展。煙管端頭在工作載荷和組織轉(zhuǎn)變等應(yīng)力的作用下出現(xiàn)開裂。

熱力計(jì)算證明，該蒸汽爐爐膽長(zhǎng)度過小(僅有4 m長(zhǎng))。按15 t/h能力運(yùn)行時(shí)，火焰直接燃燒到回燃室等相關(guān)部位，回燃室溫度高達(dá)1 400 ℃。煙管端頭形成的魏氏組織證明了煙管端頭的溫度較高，說明是煙管端頭發(fā)生了相變?；厝际夜馨鍥]有絕熱保護(hù)，煙管沒有保護(hù)端頭，從而導(dǎo)致煙管端頭溫度過高。

GB/T 16508.4—2013 《鍋殼鍋爐 第4部分：制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收》和JB/T 1619—2002 《鍋殼鍋爐本體制造技術(shù)條件》規(guī)定：當(dāng)煙溫大于600 ℃時(shí)，管子超出其與管板連接焊縫的長(zhǎng)度不應(yīng)大于1.5 mm。該爐的管子與管板連接焊縫的長(zhǎng)度超過6 mm?；鹧嬷苯尤紵茴^，使管頭溫度升高，管頭不僅承受組織轉(zhuǎn)變帶來的組織應(yīng)力，還有溫度變化的熱應(yīng)力等作用。

GB/T 16508.3—2013 《鍋殼鍋爐 第3部分：設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算》規(guī)定：相鄰焊接管孔焊縫邊緣的凈間距不宜小于6 mm；管子與管板焊接時(shí)“孔橋應(yīng)使相鄰焊縫邊緣的凈距離不小于6 mm”。 該爐的管子中心距為80 mm，管橋?yàn)?0 mm；焊腳寬度為4～5 mm。相鄰焊接管孔焊縫邊緣的凈間距幾乎為0 mm。管頭焊縫存在較大的焊接殘余應(yīng)力也是造成管頭和焊縫部位開裂的另一個(gè)原因。

對(duì)失效機(jī)理、熱力計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可以得出蒸汽鍋爐結(jié)構(gòu)不合理是該蒸汽爐煙管開裂的原因。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 煙管端頭在高溫環(huán)境的作用下產(chǎn)生高溫?zé)崞陂_裂。

(2) 回燃室的管板和煙管端頭等均沒有設(shè)置絕熱保護(hù)，造成煙管端頭溫度過高。

(3) 該蒸汽爐煙管開裂的主要原因是鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重問題，爐膽長(zhǎng)度尺寸過小，燃燒器與爐膛實(shí)際結(jié)構(gòu)不匹配，均造成回燃室溫度過高，火焰直接燃燒管板和煙管端頭，使端頭位置的溫度過高。

(4) 鍋爐煙管端頭伸出管板過長(zhǎng)、管間距過小、煙管端頭不整齊等加速了煙管端部開裂。