張寶祥，王忠發(fā)

(1.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192;2.天津市質(zhì)量管理研究所，天津)

1 事故概況

在檢驗(yàn)工作中，筆者發(fā)現(xiàn)一臺(tái)供暖的小型熱水臥式內(nèi)燃(WNS)鍋爐(如圖1)運(yùn)行了兩個(gè)采暖季后，鍋爐二回程入口處回燃室前管板煙管管端出現(xiàn)裂紋而發(fā)生滲漏。在進(jìn)一步檢查中，發(fā)現(xiàn)煙管管端附近出現(xiàn)大面積疲勞裂紋，導(dǎo)致管端出現(xiàn)軸向內(nèi)穿透性裂紋(如圖2)，裂紋有的還會(huì)延伸到焊口(如圖3)進(jìn)而威脅到管板的安全。進(jìn)行磁粉檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)裂紋延管口向內(nèi)，延伸長(zhǎng)度為8～12 mm不等，并且管板上也存在著細(xì)小裂紋，分布比較特殊，大多存在于左側(cè)第5、6、7排管排之間，右側(cè)第7、8排管排之間(如圖4)。

圖1 小型熱水臥式內(nèi)燃(WNS)鍋爐示意圖

圖2 穿透性裂紋

圖3 管端裂紋(發(fā)展到焊縫上)

圖4 回燃室前管板(二回程入口)

2 事故調(diào)查

根據(jù)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，管端裂紋現(xiàn)象大多成因是由于換熱不良，至使煙管局部超溫，端口材料抗裂性降低，使用一段時(shí)間后局部過熱，產(chǎn)生裂紋。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)本鍋爐頻繁啟停，用于調(diào)峰，而且煙管的管端伸出焊口長(zhǎng)度過長(zhǎng)，無(wú)法得到很好的冷卻，長(zhǎng)期處于高、低溫的交變熱應(yīng)力作用，從而造成管端熱疲勞裂紋。

管板出現(xiàn)裂紋情況相對(duì)較少，管板是否有過熱現(xiàn)象存在，為了進(jìn)一步研究，對(duì)本鍋爐的管板進(jìn)行了腹膜金相檢查，發(fā)現(xiàn):管板組織結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生太大變化，金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化二級(jí)(見圖5)，可以排除本鍋爐回燃室管板處發(fā)生過熱，由此可見，此處裂紋并非過熱產(chǎn)生。筆者認(rèn)為本裂紋產(chǎn)生有其他成因。

下面對(duì)本鍋爐煙管與管板出現(xiàn)的裂紋的成因從設(shè)計(jì)、制造和使用三方面作以下分析。

圖5 管板腹膜金相200倍

3 原因分析

3.1 設(shè)計(jì)問題

3.1.1 燃料特性的影響

一般來(lái)說(shuō)，鍋爐本體是按照燃油燃?xì)馔ㄓ没O(shè)計(jì)制造，其中大部分是以已有燃油鍋爐為基礎(chǔ)，對(duì)不同的燃燒器加以改進(jìn)，從而達(dá)到模塊化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率［1］。但是，當(dāng)鍋爐燃用不同性質(zhì)的燃料時(shí)，由于爐內(nèi)輻射吸熱量不同，導(dǎo)致爐膛出口煙氣溫度發(fā)生變化，在這里可以用下表進(jìn)行對(duì)比。其中0#柴油與天然氣的原始值如表1與表2所示。

表1 0#柴油成分

將0#柴油與天然氣在2.8 MW的熱水鍋爐上進(jìn)行熱力計(jì)算:

其中:化學(xué)未燃燒損失 q3=0.5%;保熱系數(shù)φ=0.983;冷空氣溫度tlk=30℃;過量空氣系數(shù)α=1.15;空氣帶入爐內(nèi)熱量 Qlk=508.6 kJ/kg;代入熱力計(jì)算得到結(jié)果見表3。

表2 天然氣成分

表3 計(jì)算結(jié)果

通過熱力計(jì)算可得出結(jié)論:燃燒油、氣兩用的(WNS)熱水鍋爐在相同熱功率的工況下，燃燒天然氣要比燃燒0#柴油位于爐膛出口的煙氣溫度理論上要高33℃(而實(shí)際運(yùn)行的煙氣溫度還要偏高些)，因此熱水鍋爐在使用天然氣時(shí)，回燃室工作條件會(huì)更惡劣。故在相同條件下，管端和管板在較高的煙氣溫度下更容易發(fā)生破壞［2］。

3.1.2 管口形式結(jié)構(gòu)的影響

本鍋爐管板與煙管的連接方式采用先脹后焊工藝，見圖6。管板材質(zhì):20 g，壁厚20 mm;煙管材質(zhì):20#，規(guī)格 Φ51×3 mm;管孔直徑 Φ51+0.4 mm。但管端超出焊縫的長(zhǎng)度參差不齊［8－9］，最大的超出量達(dá)到了2.5 mm。根據(jù)《鍋殼鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》8.4.8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1.5 mm;當(dāng)用于煙溫不大于600℃的部位時(shí)，管端超出焊縫的長(zhǎng)度可放大至5 mm。焊接煙管也按此規(guī)定處理?！贝颂幍臒煔鉁囟冗h(yuǎn)高于600℃，這也是造成煙管開裂的原因之一。

圖1 穿管示意圖

由此可見，本鍋爐管口形式存在不合理的地方，尤其是管端超出焊縫的長(zhǎng)度過大，會(huì)造成管端無(wú)法得到可靠的冷卻，使金屬壁溫升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)急劇降低，導(dǎo)致金屬本身在結(jié)晶過程中存在的缺陷開始出現(xiàn)細(xì)小裂紋，進(jìn)而擴(kuò)大并蔓延發(fā)展，形成管端裂紋。這種原因?qū)е碌牧鸭y有時(shí)還會(huì)伴有短時(shí)間的過熱現(xiàn)象，從而造成管端及焊縫出現(xiàn)裂紋［3］。

3.1.3 水循環(huán)不充分的影響

本鍋爐給水分配裝置離回燃室管束區(qū)有一定距離，給水不能直接到達(dá)熱負(fù)荷較高換熱過程劇烈的回燃室管束區(qū)?；厝际仪肮馨遢椛渑c對(duì)流換熱劇烈，貼近管壁的爐水很容易達(dá)到飽和溫度從而汽化產(chǎn)生汽泡，局部水循環(huán)的不充分，會(huì)使汽泡在金屬表面停滯一段時(shí)間。當(dāng)表面這類汽泡達(dá)到一定數(shù)量時(shí)就會(huì)形成一層汽膜，造成傳熱受阻，使金屬壁溫急劇上升，這種現(xiàn)象就稱為表面沸騰或過冷沸騰(類似于管內(nèi)模態(tài)沸騰)，危害極大。

因此為了避免高溫?zé)煿堋⒐馨迮c管橋處產(chǎn)生過冷沸騰，對(duì)給水分配裝置布置形式進(jìn)行改造，增加熱負(fù)荷較大的回燃室管束區(qū)的給水量，可以有效改善局部水循環(huán)，減少汽膜產(chǎn)生。

3.2 制造問題

煙管與回燃室前管板之間是采用先脹后焊的裝配工藝，實(shí)際工作中，先經(jīng)過焊前預(yù)脹消除間隙(此處煙管外壁與管板開孔存在0.4 mm的間隙)，再進(jìn)行焊接，但管口會(huì)因焊后收縮而重新出現(xiàn)間隙，而焊后復(fù)脹時(shí)由于管口焊縫強(qiáng)度較大，因此難以消除這種重新出現(xiàn)的間隙。這樣鍋爐在運(yùn)行的時(shí)候，由于這些間隙的存在(這是苛性脆化的一個(gè)誘因——細(xì)小間隙)會(huì)使?fàn)t水逐漸濃縮，更容易產(chǎn)生水垢，影響傳熱，導(dǎo)致金屬表面溫度升高。

由于存在間隙，爐水反復(fù)進(jìn)行著被加熱→產(chǎn)生汽泡→汽泡過熱→汽泡溢出→爐水補(bǔ)充→再被加熱這一過程(即汽泡產(chǎn)生、消失、再產(chǎn)生、再消失)。

在溫度的變化上表現(xiàn)為:金屬壁溫也隨著相應(yīng)升高→降低→再升高的交變變化，管口附近長(zhǎng)期處于這種交變熱應(yīng)力作用，會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞。

在爐水的濃度上表現(xiàn)為:爐水被不斷的濃縮，使得OH－的濃度變大(這是苛性脆化的另一個(gè)誘因)，這樣再加上殘余的各種應(yīng)力的作用，就會(huì)發(fā)生苛性脆化［4］。

3.3 使用問題

3.3.1 水質(zhì)硬度的影響

《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》［7］規(guī)定蒸汽鍋爐水質(zhì)總硬度≤0.030 mmol/L，熱水鍋爐水質(zhì)總硬度≤0.60 mmol/L，兩者相差了20倍。本鍋爐爐水硬度偏高，導(dǎo)致回燃室頂部與其管束區(qū)形成水垢。我們暫且拋開設(shè)計(jì)與制造上的問題，用一個(gè)對(duì)比表明爐水硬度對(duì)鍋爐的影響:

使用單位有另外一臺(tái)同廠家生產(chǎn)的燃?xì)馐秸羝仩t，鍋爐整體結(jié)構(gòu)與熱水鍋爐相似。假設(shè)他們的水循環(huán)狀況相同，運(yùn)行時(shí)間相似。最大的不同點(diǎn)是運(yùn)行過程中水質(zhì)的管理不同。蒸汽鍋爐回燃室頂部與其管束區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)水垢，而本鍋爐回燃室頂部與其管束區(qū)均出現(xiàn)大量水垢(厚約2 mm)。假設(shè)兩臺(tái)鍋爐回燃室管束區(qū)均發(fā)生了爐水汽化現(xiàn)象，而蒸汽，對(duì)水垢產(chǎn)生的影響可見一斑。

3.3.2 水垢對(duì)金屬傳熱的影響

在傳統(tǒng)分析基礎(chǔ)上［5］，筆者在這里運(yùn)用傳熱模型進(jìn)行分析。

兩個(gè)假設(shè):

(1)假設(shè)整個(gè)管板為大平板。二回程前管板的傳熱計(jì)算公式為［6］

式中 qg——熱流密度;

tb——管板壁溫;

ts——爐水溫度;

δb——管板厚度;

δg——水垢厚度;

λb——管板金屬的導(dǎo)熱系數(shù);

λg——水垢的導(dǎo)熱系數(shù)。

(2)假設(shè)整個(gè)煙管管壁的熱流量為Ф，且為定值。煙管傳熱計(jì)算公式［6］

式中 ty——煙管內(nèi)壁溫度;

ts——爐水溫度;

dw——煙管外徑;

dn——煙管內(nèi)徑;

δg——水垢厚度;

λy——煙管金屬的導(dǎo)熱系數(shù);

λg——水垢的導(dǎo)熱系數(shù);

l——假想煙管長(zhǎng)度。

在這里單位長(zhǎng)度的煙管熱流密度與熱流量之間有如下關(guān)系

按照以上傳熱學(xué)基本公式計(jì)算二回程入口的前管板壁溫，其中二回程整個(gè)煙氣溫度假設(shè)成統(tǒng)一的整體(由于整個(gè)二回程直徑為1.6 m，在這么小的空間內(nèi)煙氣溫度的梯度差很小暫可忽略)，這樣二回程入口管板與煙管的熱流密度也幾乎相同，即qg相同，這樣就可以對(duì)管板與煙管的金屬壁溫進(jìn)行定量分析。

用上述公式可以求出金屬壁溫，而在這里主要研究金屬壁溫在有無(wú)水垢前后的差值，需要把上述公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化，因此還要引入一個(gè)假設(shè):在沒有水垢的情況下金屬的導(dǎo)熱系數(shù)是無(wú)限大，就是將金屬的熱阻看成零，即導(dǎo)熱過程無(wú)損失。那么煙氣的熱量就全部被水吸收，而加入了一層水垢的導(dǎo)熱過程，就可以簡(jiǎn)化如下:

鍋爐二回程入口前管板傳熱計(jì)算公式簡(jiǎn)化為

煙管傳熱計(jì)算公式簡(jiǎn)化為

將表3的值代入公式(4)、公式(5)

其中取

由此可見:相同狀況的水垢出現(xiàn)時(shí)，煙管管壁溫度上升值要比管板至少高30℃，在這里運(yùn)用的qg為爐膛內(nèi)平均熱流密度，而具體到管板與煙管上時(shí)，由于熱流密度qg=Q/S，管板面積要遠(yuǎn)大于煙管端部加上管口附近的面積，因此上式的計(jì)算結(jié)果煙管升高溫度還要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30℃，因此煙管更容易發(fā)生破壞。

4 總結(jié)

根據(jù)上述分析，本鍋爐破壞原因可以歸結(jié)為以下四點(diǎn):

(1)由于生產(chǎn)需要造成起、停爐次數(shù)頻繁，從而引起回燃室部位溫度急劇變化;

(2)二回程管端伸出長(zhǎng)度參差不齊，且沒有按照規(guī)程的要求處理［8－9］，極易產(chǎn)生熱應(yīng)力;往復(fù)啟停更造成交變熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致裂紋出現(xiàn);

(3)對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)控制不嚴(yán)、不按時(shí)排污以及水循環(huán)不充分，造成回燃室頂部與其管束區(qū)結(jié)水垢較厚，嚴(yán)重影響到傳熱效果，從而引起煙管管端溫度過高，端口材料抗裂性降低，高溫性能迅速下降，使用一段時(shí)間后導(dǎo)致局部過熱產(chǎn)生裂紋;

(4)管板火側(cè)裂紋比較特殊，除了有腐蝕和水垢造成傳熱下降對(duì)管板金屬造成的影響外［10］，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)鍋爐爐水泄漏到回燃室時(shí)，水位就位于此位置附近，出現(xiàn)了水火共融現(xiàn)象，即水位線以上就是火焰，水不斷地蒸發(fā)沸騰，而水位在上下移動(dòng)，致使管板接觸的溫差極大(水側(cè)100℃而火側(cè)1 000℃)。雖然這種狀況持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，但給鍋爐帶來(lái)了極大的危害，造成了管板上有規(guī)律的疲勞裂紋。

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