燃氣熱水鍋爐回燃室裂紋分析

張寶祥，王忠發

(1.天津市特種設備監督檢驗技術研究院，天津 300192;2.天津市質量管理研究所，天津)

1 事故概況

在檢驗工作中，筆者發現一臺供暖的小型熱水臥式內燃(WNS)鍋爐(如圖1)運行了兩個采暖季后，鍋爐二回程入口處回燃室前管板煙管管端出現裂紋而發生滲漏。在進一步檢查中，發現煙管管端附近出現大面積疲勞裂紋，導致管端出現軸向內穿透性裂紋(如圖2)，裂紋有的還會延伸到焊口(如圖3)進而威脅到管板的安全。進行磁粉檢測后，發現裂紋延管口向內，延伸長度為8～12 mm不等，并且管板上也存在著細小裂紋，分布比較特殊，大多存在于左側第5、6、7排管排之間，右側第7、8排管排之間(如圖4)。

圖1 小型熱水臥式內燃(WNS)鍋爐示意圖

圖2 穿透性裂紋

圖3 管端裂紋(發展到焊縫上)

圖4 回燃室前管板(二回程入口)

2 事故調查

根據檢驗經驗，管端裂紋現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，使用一段時間后局部過熱，產生裂紋。經調查研究發現本鍋爐頻繁啟停，用于調峰，而且煙管的管端伸出焊口長度過長，無法得到很好的冷卻，長期處于高、低溫的交變熱應力作用，從而造成管端熱疲勞裂紋。

管板出現裂紋情況相對較少，管板是否有過熱現象存在，為了進一步研究，對本鍋爐的管板進行了腹膜金相檢查，發現:管板組織結構并沒有發生太大變化，金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化二級(見圖5)，可以排除本鍋爐回燃室管板處發生過熱，由此可見，此處裂紋并非過熱產生。筆者認為本裂紋產生有其他成因。

下面對本鍋爐煙管與管板出現的裂紋的成因從設計、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 設計問題

3.1.1 燃料特性的影響

一般來說，鍋爐本體是按照燃油燃氣通用化設計制造，其中大部分是以已有燃油鍋爐為基礎，對不同的燃燒器加以改進，從而達到模塊化生產，提高生產效率［1］。但是，當鍋爐燃用不同性質的燃料時，由于爐內輻射吸熱量不同，導致爐膛出口煙氣溫度發生變化，在這里可以用下表進行對比。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的熱水鍋爐上進行熱力計算:

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

表2 天然氣成分

表3 計算結果

通過熱力計算可得出結論: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℃(而實際運行的煙氣溫度還要偏高些)，因此熱水鍋爐在使用天然氣時，回燃室工作條件會更惡劣。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生破壞［2］。

3.1.2 管口形式結構的影響

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:20 g，壁厚20 mm;煙管材質:20#，規格 Φ51×3 mm;管孔直徑 Φ51+0.4 mm。但管端超出焊縫的長度參差不齊［8－9］，最大的超出量達到了2.5 mm。根據《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》8.4.8規定:“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1.5 mm;當用于煙溫不大于600℃的部位時，管端超出焊縫的長度可放大至5 mm。焊接煙管也按此規定處理。”此處的煙氣溫度遠高于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度過大，會造成管端無法得到可靠的冷卻，使金屬壁溫升高，抗拉強度和屈服強度會急劇降低，導致金屬本身在結晶過程中存在的缺陷開始出現細小裂紋，進而擴大并蔓延發展，形成管端裂紋。這種原因導致的裂紋有時還會伴有短時間的過熱現象，從而造成管端及焊縫出現裂紋［3］。

3.1.3 水循環不充分的影響

本鍋爐給水分配裝置離回燃室管束區有一定距離，給水不能直接到達熱負荷較高換熱過程劇烈的回燃室管束區。回燃室前管板輻射與對流換熱劇烈，貼近管壁的爐水很容易達到飽和溫度從而汽化產生汽泡，局部水循環的不充分，會使汽泡在金屬表面停滯一段時間。當表面這類汽泡達到一定數量時就會形成一層汽膜，造成傳熱受阻，使金屬壁溫急劇上升，這種現象就稱為表面沸騰或過冷沸騰(類似于管內模態沸騰)，危害極大。

因此為了避免高溫煙管、管板與管橋處產生過冷沸騰，對給水分配裝置布置形式進行改造，增加熱負荷較大的回燃室管束區的給水量，可以有效改善局部水循環，減少汽膜產生。

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，實際工作中，先經過焊前預脹消除間隙(此處煙管外壁與管板開孔存在0.4 mm的間隙)，再進行焊接，但管口會因焊后收縮而重新出現間隙，而焊后復脹時由于管口焊縫強度較大，因此難以消除這種重新出現的間隙。這樣鍋爐在運行的時候，由于這些間隙的存在(這是苛性脆化的一個誘因——細小間隙)會使爐水逐漸濃縮，更容易產生水垢，影響傳熱，導致金屬表面溫度升高。

由于存在間隙，爐水反復進行著被加熱→產生汽泡→汽泡過熱→汽泡溢出→爐水補充→再被加熱這一過程(即汽泡產生、消失、再產生、再消失)。

在溫度的變化上表現為:金屬壁溫也隨著相應升高→降低→再升高的交變變化，管口附近長期處于這種交變熱應力作用，會導致疲勞破壞。

在爐水的濃度上表現為: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誘因)，這樣再加上殘余的各種應力的作用，就會發生苛性脆化［4］。

3.3 使用問題

3.3.1 水質硬度的影響

《工業鍋爐水質》［7］規定蒸汽鍋爐水質總硬度≤0.030 mmol/L，熱水鍋爐水質總硬度≤0.60 mmol/L，兩者相差了20倍。本鍋爐爐水硬度偏高，導致回燃室頂部與其管束區形成水垢。我們暫且拋開設計與制造上的問題，用一個對比表明爐水硬度對鍋爐的影響:

使用單位有另外一臺同廠家生產的燃氣式蒸汽鍋爐，鍋爐整體結構與熱水鍋爐相似。假設他們的水循環狀況相同，運行時間相似。最大的不同點是運行過程中水質的管理不同。蒸汽鍋爐回燃室頂部與其管束區沒有發現水垢，而本鍋爐回燃室頂部與其管束區均出現大量水垢(厚約2 mm)。假設兩臺鍋爐回燃室管束區均發生了爐水汽化現象，而蒸汽，對水垢產生的影響可見一斑。

3.3.2 水垢對金屬傳熱的影響

在傳統分析基礎上［5］，筆者在這里運用傳熱模型進行分析。

兩個假設:

(1)假設整個管板為大平板。二回程前管板的傳熱計算公式為［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——管板金屬的導熱系數;

λg——水垢的導熱系數。

(2)假設整個煙管管壁的熱流量為Ф，且為定值。煙管傳熱計算公式［6］

式中 ty——煙管內壁溫度;

ts——爐水溫度;

dw——煙管外徑;

dn——煙管內徑;

δg——水垢厚度;

λy——煙管金屬的導熱系數;

λg——水垢的導熱系數;

l——假想煙管長度。

在這里單位長度的煙管熱流密度與熱流量之間有如下關系

按照以上傳熱學基本公式計算二回程入口的前管板壁溫，其中二回程整個煙氣溫度假設成統一的整體(由于整個二回程直徑為1.6 m，在這么小的空間內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，這樣就可以對管板與煙管的金屬壁溫進行定量分析。

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水垢前后的差值，需要把上述公式進一步簡化，因此還要引入一個假設:在沒有水垢的情況下金屬的導熱系數是無限大，就是將金屬的熱阻看成零，即導熱過程無損失。那么煙氣的熱量就全部被水吸收，而加入了一層水垢的導熱過程，就可以簡化如下:

鍋爐二回程入口前管板傳熱計算公式簡化為

煙管傳熱計算公式簡化為

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時，煙管管壁溫度上升值要比管板至少高30℃，在這里運用的qg為爐膛內平均熱流密度，而具體到管板與煙管上時，由于熱流密度qg=Q/S，管板面積要遠大于煙管端部加上管口附近的面積，因此上式的計算結果煙管升高溫度還要遠遠大于30℃，因此煙管更容易發生破壞。

4 總結

根據上述分析，本鍋爐破壞原因可以歸結為以下四點:

(1)由于生產需要造成起、停爐次數頻繁，從而引起回燃室部位溫度急劇變化;

(2)二回程管端伸出長度參差不齊，且沒有按照規程的要求處理［8－9］，極易產生熱應力;往復啟停更造成交變熱應力，最終導致裂紋出現;

(3)對水質標準控制不嚴、不按時排污以及水循環不充分，造成回燃室頂部與其管束區結水垢較厚，嚴重影響到傳熱效果，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，使用一段時間后導致局部過熱產生裂紋;

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

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［2］余笑楓.WNS燃氣熱水鍋爐管口裂紋的原因及對策［J］.中國特種設備安全，2009(4):56－58.

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［6］楊世銘.傳熱學［M］.3版.北京:高等教育出版社，1998.

［7］GB/T1576－2008.工業鍋爐水質［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［8］中華人民共和國勞動部.蒸汽鍋爐安全技術監察規程［S］.1996.

［9］中華人民共和國勞動部.熱水鍋爐安全技術監察規定［S］.1997.

［10］王相鵬.一起鍋爐管板事故原因分析與解決方案［J］.工業鍋爐，2004(2).