臥式鍋殼鍋爐管板高溫段裂紋分析、預防及改進措施

趙玉芝

【摘 要】本文分析和論述了臥式鍋殼鍋爐管板高溫段裂紋形成、產生原因、預防措施和鍋爐改造的幾種方案，對鍋爐維修改造和改型設計有指導作用。

【關鍵詞】臥式鍋殼鍋爐 管板高溫段裂紋

臥式鍋殼鍋爐占地面積小，易運輸安裝，為低壓鍋爐，廣泛用于工業生產、生活采暖，占我國工業鍋爐產品首位。隨著技術的不斷更新，爐型在設計、結構上顯現缺陷，表現為鍋內氧腐蝕、鍋筒底部鼓包和鍋爐管板高溫段裂紋問題。裂紋處于高溫煙氣入口處管孔區，并向兩邊孔橋延伸，產生管板開裂事故隱患。對此提出預防對策和改進措施。

一、以例分析產生裂紋的原因

某單位一臺DZW4-1.25改熱水爐運行三年，主要參數是鍋爐管板材質20g，煙管20＃Φ63.5×3.5，循環方式為強制循環，采用下進上出式的循環方式，用途為生活采暖，鍋爐啟停頻繁，無爐外水處理設備，熱力系統較多，鍋爐補水量較大，運行采用爐內加藥方法。

通過鍋爐內部檢驗：（l）鍋筒內部結垢嚴重，水垢厚度3mm－5mm，為碳酸鹽水垢。（2）鍋爐氧腐蝕較重，鍋筒內壁、煙管、前后管板氧腐蝕2.5mm-3.0mm。（3）煙管伸出管板端部長20mm。（4）檢查發現管板高溫入口處管孔區有2條穿透裂紋，一條裂紋向兩邊孔橋區延伸穿過兩管孔孔橋，裂紋長70mm，寬lmm，另一條已貫通管孔孔橋區，有向內延伸趨勢。

為確定裂紋性質，將管孔區打磨平整進行顯微金相分析，己斜穿第2、3排管孔有較多輻射狀裂紋、孔橋上有龜裂，金相檢查發現裂紋有分叉現象為晶間裂紋，裂紋尾端圓鈍，裂紋內部有腐蝕產物，球化嚴重。

原因分析一：

1.根據裂紋形貌和顯微金相分析結果，判斷裂紋有待性脆化引起。（1）鍋水一定含有某些物質，特別是氫氧化物，當其被濃縮的同時，又與有應力的鋼材接觸，會產生晶間裂紋。（2）一定有鍋水流入或穿過的接頭、接縫或裂紋。（3）在這些接頭、接縫或裂紋中，鍋水被濃縮。（4）鋼材上接觸化學物質的地方，必須有局部總應力。

2.從運行情況和制造工藝分析，該爐具備待性脆化條件：（1）煮爐除垢加藥量嚴重超標，爐水堿度極高，在高堿度下運行時間過長，形成待性脆化環境，使爐水中氫氧化濃度在10%以上。

（2）管板與煙管間采用角焊縫連接，該爐制造焊接前后未進行脹接，管板與煙管間存在縫隙，鍋水進入縫隙，特別是高溫煙氣入口，爐水在此高度濃縮。

（3）受熱面結垢嚴重，水垢傳熱系數較鋼板低數十倍，使高溫煙氣沖刷后管板不能迅速將熱量傳遞給鍋水，該部位金屬溫度升高，金屬抗拉強度下降。在正常壓力下，該部位金屬經受接近于它的屈服點的拉伸力，形成待性脆化的第四個條件。

原因分析二：

后管板高溫區熱負荷較高，易在管板與水接觸面產生一層氣膜，該處由于水流速低，不能將氣膜及時帶走，使氣膜下的金屬得不到冷卻，導致金相組織球化，金屬產生熱疲勞，加速了裂紋擴展。

（1）后管板近管區域水循環不良，導致近管外產生“過冷沸騰”，易產生熱裂紋。

（2）管板上的管孔與管子間存在間隙，處于高溫區的部分管子，焊前焊后不進行脹管，在鍋爐運行后，間隙中的爐水受熱蒸發形成兩個近圓環，使管板產生疲勞裂紋。

（3）管板與管子連接處采用焊接，2、3回程在后管板溫差500℃－700℃，受拉應力、彎應力、溫差應力疊加，熱水鍋爐頻繁起停，使管板與管子角焊縫局部產生裂紋。

（4）后管板高溫區的熱負荷最高，由于“進口效益”和管端冷卻不良，使管端過熱產生裂紋并延伸至管板。

（5）煙管伸出管板較長，冷卻不良，管端產生過熱裂紋并延伸至管板。

（6）水質不合格，后管板管區水側結垢，導致管板過熱產生裂紋。

原因分析三：

鍋爐運行多年，當管板出現裂紋時，管板金屬組織發生變化，材料機械性能下降，對開裂20g管板進行化學成分和金相分析發現：管板化學成分符合20g鋼板國家標裝運標準要求。因此，管板一旦出現裂紋，局部機械性能下降。

原因分析四：

產生裂紋是由爐型結構所致，該爐熱力計算推薦值為上升管的流速在爐膛內≥0.8M/S，對流段≥0.5M/S，下降管的流速在爐膛內≥1.4M/S，對流段≥1.0M/S，鍋筒內壁流速低于0.01M/S，鍋筒內的水流速相當低，不能帶走熱量，造成鍋筒內形成循環死區，壁溫升高，材料抗拉強度值大幅度下降，金屬產生熱疲勞裂紋。

二、預防與對策

l.對定型生產該爐型制造廠家應具有將圖紙轉化為工藝制造的能力，嚴格執行規程和鍋爐制造技術條件及相關要求。

（1）管板管孔應采用機械加工，管孔應控制在中Φ64.5+0.74，工藝采用先脹后焊。脹管應在管端密封焊接前進行，焊后再加脹。以減少管孔與管子間的間隙，避免鍋筒的鍋水流入管孔區內，不斷濃縮、蒸發造成的熱疲勞產生的裂紋。

（2）嚴格控制管子伸出管孔端長度，管子伸出管孔長度應為管子的焊角高度加1.5mm。如Φ63.5的管子，管子伸出管孔端長度6.5mm，防止管子伸出管孔端過長產生裂紋并延伸至管板孔橋。

2.對于運行的鍋爐應進行改造

（1）降低煙氣入口處煙氣溫度，在爐膛后1/3處靠近爐膛煙氣入口處橫向布置一至二組對流管束，對流管直徑應大于38mm，降低煙氣入口處的煙氣溫度，通過熱力計算，降到700℃-750℃。

（2）強化鍋筒后管板鍋水的擾動，改善處于循環死區的區域，使鍋內的水有一定流動性，強化循環冷卻，使材料不至于升高。

（3）在后棚管入鍋筒水側管孔處，加一排改變進水方向的水盒，使鍋爐回水入棚管的水向下進入鍋筒底部，造成鍋爐后管板處產生擾動，改善水的流動方式。

（4）在鍋筒內壁后部兩根Φ133下降管孔加限制流量的限流裝置，使鍋內的水有一定流動性。

（5）對那些煙氣流程上下分布的鍋爐，采用改整體爐拱法。

改整體爐拱是在爐膛中造一個爐拱，將爐膛一分為二，高溫煙氣被引到前管板，經全部煙管到后管板，沒有第二、第三煙程之分，對防止管板裂紋、鍋筒鼓包有明顯作用。

3.加強運行管理及維護保養

鍋爐水質處理一定按“鍋爐水處理監督管理規則”要求進行，要配備水處理人員，每班至少排污一次，應有防止系統丟水措施，預防水垢生成；鍋爐運行要執行“鍋爐房管理規則”；爐化學清洗應有鍋爐清洗方案和可靠工藝，由專業單位承擔。