臥式快裝鍋爐管板裂紋事故分析及對策

潘林

（廣西玉林市特種設備監督檢驗所，廣西 玉林 537000）

臥式快裝鍋爐具有結構緊湊、占地面積小、整裝出廠、運輸安裝方便、蒸汽產生快、負荷調節靈活、爐墻密封性好、保溫效果極佳、熱效率高等集于一身的眾多優點，性價比高，深受用戶歡迎，廣泛應用于中小企業生產中，在我國工業鍋爐產品中占有量最大。隨著技術的不斷更新，爐型在設計、制造工藝上有所提高。但由于結構所限，存在著一些較為顯現的缺陷，表現為鍋內氧腐蝕、鍋筒底部鼓包和鍋爐管板裂紋等問題。最近筆者在檢驗工作中，即發現一臺DZG型快裝鍋爐管板已產生裂紋，裂紋處于高溫煙氣入口處管端及管孔區，并向兩邊孔橋延伸，產生管板開裂事故隱患，現對此進行理論分析，提出預防對策和改進措施。

1 裂紋產生的原因分析

1.1 裂紋的性質

某泡沫包裝箱廠的一臺臥式快裝鍋爐，型號為DZG2-1. 25-M·A。查閱該鍋爐出廠資料知，管板材質為20 g，煙管為20＃，規格為Φ63.5 mm×3.5 mm，連接方式為焊接，鍋水循環方式為自然循環。鍋爐負荷較大，無鍋外水處理設備，采用向鍋內加藥方式進行水處理。自2001年運行至今，經內部檢驗發現：

（l）鍋筒內部結垢嚴重，水垢厚度1～3 mm，為碳酸鹽水垢；

（2）前后煙管端部伸出管板長10 mm；

（3）檢查發現高溫入口處，有13條煙管管端有數量不等的呈輻射狀由管端向孔橋延伸的裂紋，其中最長處為25 mm，寬0.5 mm，有延伸趨勢。

為確定裂紋性質，將管子取出并把管孔區打磨平整進行顯微金相分析。最長裂紋發生處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。

1.2 苛性脆化

1.2.1 裂紋由苛性脆化引起

根據裂紋形貌和顯微金相分析結果，判斷裂紋由苛性脆化引起：

（1）鍋水一定含有較高濃度的游離堿，與鍋水接觸的鋼材中存在接近于其屈服點的拉伸應力，便會產生晶間裂紋。

（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，必須有局部集中應力。

1.2.2 爐具具備苛性脆化條件

從運行情況和制造工藝分析，該爐具備苛性脆化條件：

（1）煮爐除垢時加藥量嚴重超標，爐水堿度極高，在高堿度下運行時間過長，形成苛性脆化環境，使爐水中氫氧化鈉濃度在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，高溫煙氣沖刷管板后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其屈服點的拉伸應力，形成苛性脆化的第三個條件。

1.3 管板高溫區熱負荷較高

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，該處由于水流速較低，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）管板近管區域水循環不良，導致近管處產生“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，在鍋爐運行時，間隙中的爐水受熱蒸發形成2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，鍋爐頻繁起停，使管板與管子角焊縫局部產生裂紋。

（4）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，管板管區水側結垢，導致管板過熱產生裂紋。

1.4 局部材料機械性能下降

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20 g管板進行化學成分和金相分析發現：管板化學成分符合20 g鋼板國家標準要求。因此，管板一旦出現裂紋，局部機械性能下降。

1.5 爐型結構的問題

產生裂紋是由爐型結構所致。很明顯，此種型式鍋爐鍋筒內壁流速最低，據有關熱力計算推薦值為低于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。

2 管板裂紋的一般處理方法

（1）如果管板裂紋不是很嚴重，直接在裂紋處補焊，將裂紋修復即可；如本臺鍋爐，經磁粉檢測確定產生裂紋的管區范圍后，取下煙管，將管孔及孔橋打磨光潔，再進行磁粉檢測，確定裂紋位置，同時用角磨機打磨，按照檢測打磨再檢測的步驟重復操作，直至裂紋消除。下一步就是補焊，由熟練焊工擔當，焊后外觀檢查合格后進行磁粉檢測，未發現裂紋，最后組裝煙管。先脹后焊，焊后再進行一次磁粉檢測及水壓試驗均合格。運行一段時間后重新檢驗，未發現異常情況，取得了較好的經濟效益。

（2）如果管板裂紋較嚴重，可直接換管板。

3 預防與對策

3.1 制造廠家應嚴格執行鍋爐制造技術條件及相關要求

對定型生產該爐型的制造廠家，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Φ（64.5 ±0.74）mm，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、蒸發形成高濃度的苛性鈉（NaOH）溶液。

（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1.5 mm，如Φ 63.5 mm的管子，管子伸出管孔端長度6.5 mm，防止管子伸出管孔端過長，產生裂紋并延伸至管板孔橋。

3.2 對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1～2組對流管束，對流管直徑應大于Φ38 mm，降低煙氣入口處的煙氣溫度，通過熱力計算，降到700～750℃。

（2）改進給水裝置，改變進水方向及加強排污，強化鍋筒管板區鍋水的擾動，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，使管板壁溫不至于過高。

（3）在鍋筒內壁4根Φ133 mm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。

3.3 加強運行管理及維護保養

鍋爐水質處理一定要按《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。

4 結束語

通過以上分析探討，鍋爐管板裂紋產生的主要原因，可以歸結為：管板結垢；過冷沸騰；苛性脆化；水循環不良。避免管板產生裂紋方法有：煙管采取先脹后焊的方式，減少管板與煙管之間的縫隙，減少過冷沸騰；加強鍋爐的保養工作，減少鍋爐結垢，減少管板結垢因受熱不均產生的熱應力；改善鍋爐水循環，減少傳熱死角；合理配置水處理溶劑，減少因NaOH過量帶來的苛性脆化。這些經驗的總結，對所有鍋爐的安全運行，具有普遍的參考價值。

[1]勞部發[1996]276號，蒸汽鍋爐安全技術監察規程[S].

[2]國家質量技術監督局鍋爐壓力容器監察局，鍋爐定期檢驗規則[S]. 1999.

[3]中華人民共和國國務院第549號，特種設安全技術監察條例[S]. 2009.

[4]JB/T4730-2005，承壓設備無損檢測[S].

[5]GB/T13298-1991，金屬顯微組織檢驗方法[S].