王曉峰 洪萬億

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院泉州分院 泉州 362000）

隨著西氣東輸工程的推進以及LNG（液化天然氣）船舶運輸?shù)难杆侔l(fā)展，泉州地區(qū)內城鎮(zhèn)燃氣管道已普及，以天然氣為燃料的WNS臥式內燃蒸汽鍋爐的數(shù)量迅猛增長。本文對一起WNS鍋爐的回燃室管板管孔區(qū)出現(xiàn)大量裂紋并開裂、泄漏的案例進行調查和分析，找出事故的原因。促進該類型鍋爐的安全生產(chǎn)。

1 事故概況

1.1 檢驗概況

事故鍋爐的型號為WNS10-1.25-Y.Q，屬于典型的三回程臥式內燃鍋殼鍋爐，使用燃料為天然氣?；鹧嬗跔t膽內燃燒，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，再進入鍋爐后部煙道，經(jīng)煙囪進入大氣。該鍋爐于2013年出廠，2014年5月投入使用。連續(xù)使用3年后，在內部檢驗時發(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。回燃室火側底部堆積大量結晶顆粒并有積水聚集。鍋爐本體水側水位線以下普遍結有水垢，平均厚度約1.0mm。該鍋爐煙管與管板焊接工藝為預脹消除間隙后進行手工電弧焊焊接。檢查回燃室水側，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，牌號為20（GB/T 8163）。管板材料為Q245R（GB 713），焊材為E4315（E5015）。經(jīng)取樣進行化學分析，焊縫和母材成分符合相應標準要求。鍋爐本體上的安全閥、壓力表型號及數(shù)量符合設計要求，且均可正常工作并在檢定有效期內。按TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗規(guī)則》要求，本次內部檢驗結論為“不符合要求”[1]，并立即向特種設備安全監(jiān)督管理部門上報。截至收稿時使用單位已拆除有缺陷的鍋爐并辦理完成特種設備使用登記變更（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，為最長裂紋，長度超過30 mm、已貫穿管板孔橋。煙管內部表面裂紋最長為23.3mm。泄漏主要集中在爐膽煙氣出口的左右兩側和上部的管孔區(qū)，共三個區(qū)域，見圖2。由圖2中左右兩側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位于煙管與管板焊接接頭，圖4為左側管板較為明顯的一處泄漏點。由白色鍋水結晶物形態(tài)可判斷出鍋水一部分由煙管管壁外側焊接接頭的裂口向外噴射，另一部分穿過煙管管壁裂紋，緩慢向管內滲漏。

圖4 左側泄漏點

1.3 潛在隱患

該型號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。裂紋尖端處存在應力集中，如該鍋爐繼續(xù)運行，在較小垂直應力作用下可導致各裂紋迅速擴展。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)生各種交變應力，加速裂紋擴展。如未及時發(fā)現(xiàn)裂紋及泄漏缺陷，裂紋擴展形成網(wǎng)格，導致管板強度嚴重削弱，可引發(fā)鍋爐爆炸事故。

2 原因分析

2.1 裂紋起點

各較長裂紋位于管板、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，大多位于煙管管端，而有的裂紋長達幾十毫米。各裂紋數(shù)量眾多、位置和形態(tài)相似，僅長度和深度不盡相同。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。經(jīng)過現(xiàn)場檢測和統(tǒng)計，長度小于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。而其他較長裂紋都有連通到煙管管端上。如這些裂紋形成和擴展的原因不消除，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。

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臺在用蒸汽鍋爐，一臺10t和一臺6t。該廠日常用汽量并不均衡，每日有幾個用汽高峰時段，其它時間則用汽較少。一段時間內6t鍋爐因故障停用，僅10t鍋爐投入使用。用汽高峰時需用蒸汽量遠超10t/h，蒸汽供不應求。該鍋爐水位急劇下降，導致水位報警聯(lián)鎖系統(tǒng)動作、自動停爐，無法滿足供汽要求。司爐人員關閉水位報警聯(lián)鎖系統(tǒng)，手動控制。采用預判手動加水的方法保證鍋爐水位。使用單位私自調節(jié)多級調壓閥，提升燃燒機頭的燃氣輸入壓力，增加熱量輸入，目的是提升該鍋爐蒸發(fā)量。

查詢該鍋爐主蒸汽管道流量計記錄，該鍋爐最大蒸發(fā)量超過12t/h。增加燃氣輸入量和噴射壓力，引起爐內火焰長度增加，本應在爐膽內燃燒的火焰延長至回燃室，火焰直接灼燒回燃室管板、煙管和連接它們的焊接接頭。火焰溫度超過1000℃，可使管孔區(qū)表面溫度超過設計值。高溫煙氣與火焰劇烈沖刷煙管管端，管頭的邊緣效應增強，煙管管端溫度局部升高，強度降低。文獻[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構相同。本案管孔區(qū)與圖6中溫度場分布相似，管端溫度最高。尤其是煙管管端內側邊緣，距離鍋水最遠、煙氣沖刷也最劇烈、溫度最高、強度降低且應力最大，本文中裂紋起點大多在這個位置上，見圖5。圖6展示出管孔的軸向剖面結構，煙管管端內外邊緣處截面為直角，直角尖端幾何面積小、強度低，在同樣的應力下較管內部位容易破壞。煙管管端金屬受熱膨脹，被焊接接頭和管板的約束，受到壓應力。燃燒機停止工作時，灼熱的煙管管端溫度降低，向內收縮，同樣受到管板拘束，受到拉應力。拉應力垂直作用于煙管管端薄弱處，可產(chǎn)生如圖1、圖5的細小裂紋。

用汽高峰期因鍋爐產(chǎn)生的蒸汽供不應求，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。該廠用汽量低的時候，司爐操作人員開啟水位自動聯(lián)鎖保護裝置。因調節(jié)各調壓閥參數(shù)相對比較專業(yè)和麻煩，各調壓閥并未被調回原參數(shù)。燃燒機頭工作時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，此時鍋筒內蒸汽壓力上升至1.1MPa（超壓聯(lián)鎖啟動的壓力）則自動停爐，鍋筒蒸汽壓力基本在1.0至1.1MPa至間波動。此時回燃室管板平均溫度提升到184℃以上。該鍋爐在高低負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。回燃室管板對其中的煙管、管板孔橋及二者的焊接接頭產(chǎn)生相應的擠壓和拉伸，這種交變應力成為管孔區(qū)裂紋產(chǎn)生和擴展的必要條件。

圖6 溫度分布云圖[2]

●2.2.2 水循環(huán)不暢

該鍋爐為臥式內燃鍋爐，鍋爐水循環(huán)回路不高，自然循環(huán)流動的“動壓頭”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，鍋水難以及時補充。而圖2中兩側的泄漏區(qū)相互對稱，煙管布置在爐膽外側；與“管板上部”泄漏區(qū)一樣受到上、下側高溫煙管、外側的低溫區(qū)煙管及內側爐膽的影響，水循環(huán)不暢。鍋爐超負荷運行，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、應力大，也是泄漏最嚴重的部位。

●2.2.3 水垢堆積

該鍋爐本體水側水位線以下普遍結有水垢，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結垢較厚，見圖7。水垢的傳熱系數(shù)遠小于受熱面金屬，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，可進一步惡化水循環(huán)，導致受熱面金屬冷卻不良。

圖7 水側水垢

●2.2.4 部分煙管管端長度超標

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

以上原因導致管端溫度升高、強度降低。煙管管端受到交變載荷作用，管端薄弱位置在拉應力作用下產(chǎn)生細小裂紋，小裂紋在交變應力作用下不斷擴展。裂紋長度和深度不斷增加，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、水側結垢和煙管管端伸出長度超標等。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。筆者認為造成本次事故的主要原因[4]為使用單位周期性超負荷運行鍋爐，私自調高燃燒機頭入口的天然氣壓力，導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、水側結垢和煙管管端伸出長度超標等。使用單位特種設備安全管理人員和司爐操作人員技術水平不足且安全意識淡薄，私自調節(jié)天然氣輸入壓力，故意超負荷運行鍋爐，致使爐內火焰延長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臺以上在某地區(qū)長期運行，僅此一臺出現(xiàn)泄漏事故，事故鍋爐的使用單位有著不可推卸的責任。

各燃氣鍋爐使用單位和安裝單位應當嚴格按照鍋爐設計參數(shù)調節(jié)鍋爐內火焰。對于設計要求火焰在爐膽內燃燒的，應保證火焰長度不得超出爐膽范圍。鍋爐使用單位不應長時間或是過量超負荷運行鍋爐。以加強燃燒的方式提升鍋爐蒸發(fā)量，不但會加快鍋爐損耗、影響其壽命，還會帶來安全隱患。使用單位應當提升鍋爐水質管理、加強水質監(jiān)測，及時清除受熱面上及鍋內堆積的水垢。

鍋爐制造單位應當采取相應措施，改進該類型鍋爐的水循環(huán)。加強鍋爐制造過程中質量管理，提升煙管與管板角焊縫的焊接質量。加強鍋爐出廠前外觀檢查，防止煙管管端伸出長度超標。