燃?xì)忮仩t回燃室煙管裂紋分析

夏 溪，桃 慶，呂權(quán)晉，楊國(guó)祥**

(1.云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，云南 昆明 650228，2.昆明永裕安鍋爐工程有限責(zé)任公司，云南 昆明 650228)

2021年4月，在對(duì)一臺(tái)臥式內(nèi)燃鍋殼濕背式燃?xì)忮仩t進(jìn)行定期內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鍋爐回燃室前管板高溫區(qū)有4根焊接煙管滲漏。企業(yè)因此被迫停產(chǎn)，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。本文對(duì)此煙管裂紋滲漏事故的原因進(jìn)行了分析，并提出了處理建議和預(yù)防措施。

1 鍋爐概況

鍋爐型號(hào)為WNS6-1.25-Y(Q)，2018年01月制造，2018年05月投入使用，使用天然氣燃料。鍋筒材質(zhì)為Q245R，壁厚為 14 mm；回燃室前管板材質(zhì)為Q245R，壁厚為 18 mm；螺紋煙管材質(zhì)為20#(GB/T3087-2008)，規(guī)格為：φ 63.5 mm×3.5 mm。鍋爐煙管與管板連接方式為焊接連接。鍋爐的全自動(dòng)水處理設(shè)備損壞半年，未修復(fù)。煙氣流程為3回程，高溫?zé)煔饨?jīng)爐膽后部進(jìn)入回燃室，轉(zhuǎn)180°后進(jìn)入回燃室前管板二回程入口區(qū)域，經(jīng)過(guò)煙管到達(dá)鍋爐前管板二回程煙氣出口，再轉(zhuǎn)180°后進(jìn)入鍋爐前管板左右側(cè)三回程煙氣進(jìn)口，經(jīng)鍋爐后管板煙管出口進(jìn)入煙箱、煙道、節(jié)能器，經(jīng)煙囪排入大氣。

2 檢驗(yàn)情況

鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍋爐回燃室前管板高溫區(qū)有4根煙管有滲漏痕跡。為進(jìn)一步查清缺陷損壞程度，對(duì)煙管及其角焊縫增加磁粉探傷檢查，回燃室前管板孔橋增加硬度檢測(cè)和金相檢驗(yàn)。檢查情況如下：

鍋爐爐膽頂部煙氣出口正上方有5排二回程煙管，回燃室前管板煙管(回燃室內(nèi)面對(duì)回燃室前管板)由上往下的第5排的由左往右的第7、8、9號(hào)(在爐膽煙氣出口正上方中部位置)及第4排第8號(hào)高溫區(qū)的煙管滲漏。肉眼可見(jiàn)4根煙管的管口有裂口或裂紋,但管板未發(fā)現(xiàn)變形。經(jīng)磁粉檢測(cè)，4根煙管管端及角焊縫上發(fā)現(xiàn)裂紋。其中，第5排7、8、9號(hào)煙管的裂紋長(zhǎng)度分別為 6 mm、6 mm、8 mm，第4排第8號(hào)煙管裂紋的長(zhǎng)度為 12 mm，但裂紋未延伸到管板上。煙管端伸出煙管角焊縫長(zhǎng)度為0.5～1.5 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求；管板硬度值為128～131HB，無(wú)異常；管板金相組織為珠光體和鐵素體，晶粒度8級(jí)，金相組織無(wú)異常。

鍋筒內(nèi)水垢厚度為2～3 mm，回燃室前管板孔橋間水垢厚度為5～6 mm，給水管出口附近的煙管和回燃室前管板爐膽正上方管束區(qū)的水垢厚度局部達(dá) 35 mm。

該企業(yè)水處理設(shè)備已損壞半年，未修復(fù)。鍋爐給水直接注入硬度值為 9.4 mmol/L 的地下水。

3 原因分析

1)回燃室前管板孔橋間及煙管管束區(qū)結(jié)垢嚴(yán)重。鍋爐運(yùn)行時(shí)，爐膽內(nèi)天然氣燃燒產(chǎn)生800～900 ℃ 的高溫?zé)煔?，?jīng)爐膽后部進(jìn)入回燃室。煙氣轉(zhuǎn)180°后進(jìn)入回燃室前管板二回程入口區(qū)域，煙管及管板經(jīng)歷著輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的復(fù)雜傳熱過(guò)程，煙管及管板吸收高溫?zé)煔廨椛錈岷蛯?duì)流傳熱，同時(shí)傳遞給鍋內(nèi)水介質(zhì)。另一方面，煙氣以一定流速進(jìn)入煙管后，將以對(duì)流換熱的形式將熱量傳遞給煙管。根據(jù)傳熱學(xué)原理，煙管入口處存在非熱穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)流換熱系數(shù)，從煙管的入口開(kāi)始，在一定范圍內(nèi)是不同的。在入口處，由于氣體受到很大擾動(dòng)，幾乎不存在熱邊界層，所以其局部換熱系數(shù)大于煙氣在管內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)后的換熱系數(shù)，因而管板上煙管入口處的熱負(fù)荷最大。鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，煙管及管板金屬受熱面很快將熱量傳遞給鍋爐中的水，金屬不會(huì)過(guò)熱。根據(jù)有關(guān)資料，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)僅為金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)的1/10～1/100，即 0.1 mm 水垢的熱阻相當(dāng)于加厚了鋼材幾毫米到幾十毫米。也就是說(shuō)，水垢增厚會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱能力下降，使金屬壁溫升高，若超過(guò)材料允許的工作溫度，則會(huì)使金屬的機(jī)械性能下降。其次，水垢的存在，也會(huì)使燃料燃燒所釋放的熱量不能有效地傳遞到鍋爐水中。大量的熱量被煙氣帶走，排煙溫度升高，排煙熱損失增加，熱效率降低。為保證鍋爐正常供汽，就得加大火焰增強(qiáng)燃燒，提高爐膽內(nèi)的煙氣溫度，造成爐膽出口煙溫過(guò)高，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)允許溫度，從而進(jìn)一步加大煙管入口處的熱負(fù)荷,煙管口也會(huì)過(guò)熱被燒裂。外觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，爐膽前管板水垢厚度一般為5～6 mm，給水管出口附近的煙管和回燃室前管板爐膽正上方管束區(qū)的水垢厚局部達(dá) 35 mm。煙管入口本來(lái)熱負(fù)荷就較大，由于較厚水垢的堆積，進(jìn)一步增加了煙管入口的熱負(fù)荷，受熱面不能得到及時(shí)有效的冷卻，導(dǎo)致傳熱惡化。當(dāng)煙管壁溫升高，在超過(guò)金屬材料允許使用溫度時(shí)，煙管管口過(guò)熱被燒裂，隨著使用時(shí)間的推移，管口裂紋就延伸至煙管角焊縫。

2)管板管孔與煙管之間有間隙。焊接前后，如果間隙未消除，鍋爐運(yùn)行時(shí)，間隙內(nèi)的水受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽滯留在間隙內(nèi)。在加熱過(guò)程中，滯留的蒸汽將會(huì)過(guò)熱，當(dāng)?shù)揭欢ǔ潭葧r(shí)，蒸汽會(huì)噴出間隙；冷卻后，鍋水又進(jìn)入間隙。此過(guò)程循環(huán)反復(fù)，使管板、煙管及焊縫金屬處于冷熱交變過(guò)程，形成熱疲勞源。在冷熱交變應(yīng)力的作用下，易產(chǎn)生裂紋傾向。其次，間隙的存在，煙管與管板之間會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀水垢富集現(xiàn)象。沉積的水垢中含有三氧化二鐵及四氧化三鐵，與間隙金屬形成電位差，出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，使間隙進(jìn)一步擴(kuò)大，從而又加重了金屬材料開(kāi)裂的傾向。

3)溫差應(yīng)力的存在。由于鍋爐煙氣采用三回程方式，二、三回程煙管在鍋筒內(nèi)采用下上及左右布置，高溫?zé)煔膺M(jìn)口在回燃室前管板，低溫?zé)煔獬隹谠阱仩t后管板上，二回程有14排煙管，三回程有18排煙管。由于二回程的入口煙氣溫度一般在800～900 ℃，而三回程煙管出口煙氣溫度一般在200℃以下，因此二三回程形成較大的溫差。再者，由于煙管及后管板各部位受熱程度不同，冷卻條件也不同，造成煙側(cè)和水側(cè)溫差過(guò)大，形成較大的溫差應(yīng)力。結(jié)果是造成金屬處于高應(yīng)力狀態(tài)下，這也是形成裂紋并擴(kuò)展的原因之一。

4)頻繁啟停鍋爐。據(jù)了解，該鍋爐因生產(chǎn)工藝原因，啟停爐較為頻繁，負(fù)荷不穩(wěn)定。管板與煙管采用焊接連接，存在焊接殘余應(yīng)力。壓力時(shí)高時(shí)低，溫度和壓力的頻繁波動(dòng)，形成了較大的交變應(yīng)力。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，產(chǎn)生的裂紋會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

4 處理建議

由有相應(yīng)資質(zhì)的單位更換4根泄漏煙管，并注意以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

1)修理單位應(yīng)編制修理方案。根據(jù)相應(yīng)的焊接工藝評(píng)定報(bào)告編制指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊接的焊接工藝指導(dǎo)書(shū)或工藝卡，備齊合格的材料(管材、焊材)、工裝設(shè)備，焊工資料齊全且在有效期內(nèi)等；拆除煙管時(shí)，避免損傷管板或其他部件。

2)對(duì)鍋爐內(nèi)部進(jìn)行清洗，將水垢清除干凈。鍋爐受熱面被水垢覆蓋80%以上，水垢厚度 ≥1 mm 時(shí)，可采用酸洗方法進(jìn)行除垢。酸洗除垢應(yīng)由專業(yè)清洗單位承擔(dān)，應(yīng)有可靠的工藝措施。清洗后應(yīng)檢查除垢情況，特別是管板的除垢效果，酸洗經(jīng)監(jiān)督檢驗(yàn)合格。

3)嚴(yán)格控制煙管管端伸出長(zhǎng)度。更換煙管時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)工藝控制，責(zé)任人員到位，嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。《鍋殼鍋爐》GB/T16508-2013第10.5.8條規(guī)定：焊接煙管在煙溫>600 ℃ 的部位時(shí)，管端超出焊縫的長(zhǎng)度應(yīng)≤1.5 mm ；焊接煙管在煙溫 ≤600 ℃ 的部位時(shí)，管端超出焊縫的長(zhǎng)度可放大至 5 mm。因此，回燃室前管板處的煙管端超出焊縫的長(zhǎng)度應(yīng)控制在≤1.5mm，鍋爐前管板處的管端超出焊縫的長(zhǎng)度可至5mm。

4)相鄰焊接管孔焊縫間距?！跺仛ゅ仩t》GB/T16508-2013第9.4.5條、9.4.6條規(guī)定：管板焊接孔橋相鄰焊縫邊緣的凈距離應(yīng) ≥6 mm，若進(jìn)行焊后熱處理，可不受此限制；管孔焊縫邊緣至扳邊起點(diǎn)的距離應(yīng) ≥6 mm。施焊過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)控制。

5)消除管板管孔與煙管之間的間隙?！跺仛ゅ仩t》GB/T16508-2013第9.4.7條規(guī)定：管板與 600 ℃ 以上的煙氣接觸，其采用焊接連接的煙管或者拉撐管應(yīng)采取措施消除管孔與管子的間隙。修理時(shí)，管板與煙管焊接應(yīng)采取合理的焊接順序，減小焊接應(yīng)力；焊接前應(yīng)先輕度脹接，焊接完畢后再作一次貼脹，徹底消除管板與煙管的間隙。

6)煙管角焊縫外形尺寸應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖樣。咬邊深度應(yīng) ≤0.5 mm，焊縫和熱影響區(qū)表面不得有裂紋、夾渣、弧坑和氣孔等缺陷。施焊完畢，外觀檢查、100%表面無(wú)損檢測(cè)合格后，進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

5 預(yù)防措施

該鍋爐煙管產(chǎn)生裂紋漏水事故，主要原因在于管理人員和運(yùn)行人員安全意識(shí)淡薄，未及時(shí)修復(fù)失效的水處理設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間使用未經(jīng)處理的地下水源，導(dǎo)致鍋爐嚴(yán)重結(jié)垢。為保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，綜合分析，提出以下幾點(diǎn)預(yù)防措施：

1)加強(qiáng)水處理工作。修復(fù)失效的水處理設(shè)備；水處理人員應(yīng)取得相應(yīng)資格證書(shū)，根據(jù)規(guī)定時(shí)限和鍋爐運(yùn)行情況化驗(yàn)水質(zhì)，鍋爐原(生)水、軟化水及鍋(爐)水要達(dá)到《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》GB/T1576-2018 標(biāo)準(zhǔn)的要求，做好化驗(yàn)記錄。

2)增強(qiáng)責(zé)任心和安全意識(shí)。司爐人員應(yīng)取得相應(yīng)資格證書(shū)，鍋爐管理人員應(yīng)加強(qiáng)崗位培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，嚴(yán)格遵守崗位職責(zé)，做好巡回檢查和自身監(jiān)督抽查工作，發(fā)現(xiàn)影響鍋爐安全運(yùn)行的問(wèn)題應(yīng)立即停爐并按規(guī)定報(bào)告，查明原因妥善處理后才能運(yùn)行。

3)降低鍋爐啟停頻率，減少負(fù)荷和壓力波動(dòng)，使鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行；調(diào)整燃燒器火焰時(shí)應(yīng)符合鍋爐使用說(shuō)明書(shū)的要求，防止?fàn)t膽內(nèi)火焰后移，避免爐膽出口煙溫過(guò)高或超過(guò)設(shè)計(jì)要求造成煙管口燒裂。

4)鍋爐進(jìn)水管座設(shè)計(jì)位置盡可能在水位計(jì)水連管與最上排煙管之間。鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水保護(hù)套管座浸在鍋水中，避免進(jìn)水管座產(chǎn)生熱疲勞裂紋。同時(shí)，給水經(jīng)過(guò)進(jìn)水保護(hù)套管得到預(yù)熱，減小給水溫度與鍋水溫度的溫度差，減小溫差應(yīng)力；避免鍋內(nèi)進(jìn)水分配管出水管口直接沖刷鍋爐前后管板和爐膽前管板，在進(jìn)水分配管上開(kāi)均勻的出水孔，其流通截面積的總和不小于進(jìn)水管的流通截面積，減小溫差應(yīng)力。

5)定期對(duì)鍋爐安全保護(hù)裝置進(jìn)行功能試驗(yàn)，特別是低水位報(bào)警和低水位聯(lián)鎖保護(hù)裝置的功能試驗(yàn)，做好試驗(yàn)記錄，防止缺水事故的發(fā)生。

臥式內(nèi)燃鍋殼式燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)緊奏，占地面積小，傳熱快，熱效率高，安裝方便，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化程度越來(lái)越完善；鍋爐水處理工作是保障鍋爐安全和節(jié)能運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一，《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了相關(guān)要求，工作中要認(rèn)真履行職責(zé)，確保鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。