SH型鍋爐防焦箱裂紋的原因及防方治法

王進

（南京市鍋爐壓力容器監督檢驗所，江蘇 南京 210002）

我市1臺SH10-25/400型水管鍋爐的左防焦箱下降管口和防焦箱之間，距爐墻60毫米處發生裂穿漏水（具體位置和尺寸見圖1），被迫停爐檢修，停爐后在裂紋處取樣作金相分析，試驗結果，晶粒度為5至6級。

該爐是季節性生產，經檢查，防焦箱壁沒有產生腐蝕，厚度與原使用壁厚相同，內部無水垢，亦未發現嚴重的局部腐蝕現象，現對裂紋產生的原因作如下分析。

圖2防焦箱前端部分的結構示意圖。從圖中可以看出，下降管入口處到防焦箱前端有900毫米，除370毫米嵌入前墻外，余下的530毫米暴露在爐膛里面，在這個區段內防焦箱是水平布置的，沒有上升管，從下降管供給防焦箱的水直接向后流動上升到上集箱再流回鍋筒，不可能流向集箱前部，造成在900毫米內鍋水基本不流動，形成水循環中的一個所謂的“死角”，這部分鍋水就成了所謂的“死水”。在高溫作用下分層如圖3所示，水的汽化層之所以形成圖3那樣的形狀，主要是由于各部分受熱程度不同和距下降管入口尺寸的大小密切關系。同時，蒸汽層的厚度又隨著負荷的變化而變化，當鍋爐負荷正常（一般在70-100%）時，這段防焦箱幾乎不產生汽化，防焦箱的運行仍然是可靠的。當鍋爐工況惡化（負荷過小或過大，或爐膛在較大正壓下運行）時，該段防焦箱內形成明顯的汽水分層，工況惡化程度越大，產生的蒸汽就越多，蒸汽層就越厚。爐膛內燃料燃燒放出的熱量不斷地輻射方式為主的傳給防焦箱。由于防焦箱內上部是蒸汽，蒸汽的導熱系數比水小得多，同時，蒸汽在這段防焦箱內不產生流動，由于蒸汽傳熱差，熱量傳給防焦箱后，防焦箱內惡化的程度變化，當負荷趨于正常時，鍋水又會逐步充滿整個防焦箱，由于水的導熱系數比蒸汽大得多，熱量被迅速吸收，壁溫很快下降，這個過程經過多次重復，防焦箱壁就會因熱脹冷縮產生的應力而產生疲勞裂紋，反復多次就會形成穿透性裂紋。這就是常常發生在蒸汽鍋爐上的低周疲勞裂紋。

鍋爐爐膛的熱強度也是引起SHL型鍋爐防焦箱產生裂紋的一個重要原因。國內燃煤鍋爐的熱力計算都是在一定的爐膛內基本上不產生汽化，即不會形成汽水分層，當爐膛在正壓燃燒的情況下，爐膛溫度勢必提高。爐膛內溫度一般在900℃以上，傳熱是以輻射為其主要方式，而輻射力（煙氣單位面積在單位時間內對外輻射的能量）和煙氣絕對溫度的四次方成正比［絕對溫度與攝氏溫度的關系：

T°=t℃+273.15(°k)］即

E=C(T/100)4X4.1848 千焦/米2·時

式中 E-輻射力 千焦/米2·時；

T-煙氣的絕對溫度[°k]；

C-煙氣的輻射系數千焦/米2·時；

從上式中可以看到，爐膛溫度上升，煙氣輻射力急劇增加，因防焦箱內部水循環的“死角”因接收的熱量增多，汽水分層加劇，促使壁濁升高，為裂紋的生產創造了條件。

另外，材料的基本許用應力隨溫度升高而降低，當防焦箱溫升高時，會產生裂紋，因防焦箱允許承受壓力是按結構尺寸和一定溫度下所能承受壓力是按結構尺寸和一定溫度下材料的許用應力決定的。溫度增高，材料的基本許用應力下降，防焦箱所能承受的壓力降低。若仍然保持鍋爐的壓力，則防焦箱的壁濁增加而箱壁應力就會超過材料的屈服強度，就有可能產生塑性變形。例如，某廠鍋爐的設計壓力是2.45Mpa，飽和水的溫度是224.99℃，按有關標準的規定（這里暫不考慮過熱器的壓力降和安全閥動作壓力的影響），防焦箱的設計壁溫為飽和水的溫度+80℃，即224.99+80℃=304.99℃。在此溫度下，20號（即該爐防焦箱所用材料）鋼的基本許用壓力是11.85公斤力/毫米2。根據防焦箱的外觀檢查和金相試驗判定，防焦箱裂紋處的壁溫已超過450℃。若以450℃計，防焦箱的基本許用應力下降為6公斤力/毫米2，比正常工況下降低近1倍，這對許可工作壓力的影響是極具嚴重的。

上面是從理論上分析了產生裂縫是由于防焦箱內的“死角”造成水循環不良，壁溫升高，一定時間以后壁溫降低，這種忽冷忽熱導致了裂紋的產生。從實際情況看，也可以看到相同的結論。

第一，裂紋是橫向裂紋，除三條裂紋穿外，其余均是多條發狀裂紋，而橫向裂紋是熱應力疲勞裂紋的一個極其重要的特征。

第二，防焦箱壁外側呈暗紅色，內壁法蘭，這是又一個重要特征。裂紋區的晶粒沒有粗化，其溫度沒有超過相變溫度，但是鋼管壁法蘭必須在400℃以上，證明工作溫度是在400℃到相變溫度之間。如上所述，防焦箱內如果沒有產生汽水分層，其壁溫是不可能達到法蘭溫度的。

為了發展SH型鍋爐運行的可靠性，根據不同情況建議采取以下不同的措施。

第一，鍋爐制造商廠對設計進行修改，有兩種方案可供參考，一是將下降管入口由現在的位置向前墻方向移動，使其入口置于前墻附近（或嵌入爐墻內，或在爐墻外接入），由下降管供給的水在防焦箱受熱部分能產生流動，防止汽水分層；二是在現設計的防焦箱前面（指下降管入口和前墻之間加裝適量的上升管，也能起到防止汽水分層的作用。有的使用單位考慮將現有的上升管移一部分（即上集箱管子不增加，將防焦箱上升管移4-5根靠近前墻，也能起到同樣的作用。

第二，鍋爐運行采取措施控制負荷急劇波動，超負荷或低負荷的時間不能超過有關規定的要求，以免鍋內過程惡化。同時，保持爐膛負壓燃燒，防止防焦箱因負荷重而產生汽車分層。

第三，運行中鍋爐，如果沒有足夠的時間停爐改造，可用耐火磚（或耐火泥）將防焦箱前面“死角”部分覆蓋起來，避免直接接受爐膛的輻射熱，從而減少了汽水分層的可能性。

[1]李韓生.鍋爐防焦箱的改造[J].冶金動力，1988-08-15.