鍋殼式熱水鍋爐管端裂紋的產生原因與預防

居曉明 中國人民解放軍北京軍區鍋爐檢驗所

在鍋殼式燃油燃氣熱水鍋爐的內部檢驗中，發現煙管的高溫煙氣入口管端產生裂紋，導致煙管泄漏是這種爐型最常見的失效形式。本文結合鍋爐運行工況試圖對煙管管端產生裂紋的原因進行分析，并提出一些防范管端產生裂紋的有效措施。

1 管端裂紋的形態和缺陷部位的金相組織

通過對泄漏鍋爐煙管管端裂紋滲透檢測，發現常見的管端裂紋形態有：軸向裂紋、徑向裂紋、周向裂紋和混合型裂紋。煙管內壁的軸向裂紋長短不一，較短的軸向裂紋距離管端約有幾毫米，較長的軸向裂紋延伸至煙管管端；有時能發現煙管端面的徑向裂紋已裂至角焊縫表面，形成幾毫米長度不等的放射狀裂紋；周向裂紋一般是沿角焊縫根部的未熔合區開裂的；混合型裂紋是上述三種裂紋形態的組合，一般是在形成周向裂紋后，再出現軸向和徑向裂紋，可以說是周向裂紋的進一步發展。管孔周圍一般沒有裂紋，少數情況管孔周圍能發現放射狀裂紋，管孔周圍的放射狀裂紋有的在管端徑向裂紋的延伸方向上。

通過對一些典型性的缺陷部位做金相分析，缺陷附近管板的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體組織分布的均勻性較差，但仍屬正常組織。有軸向裂紋的煙管管端的金相組織為鐵素體+珠光體+魏氏組織，由于焊接過程未按焊接規范嚴格控制，使得焊縫熱影響區的過熱區變寬，產生了魏氏組織。另外，金相顯微檢查看到的裂紋端部較鈍，具有疲勞裂紋的特征。

2 煙管管端裂紋產生的原因

煙管裂紋一般是從距管端一定距離的煙管外壁

發展而成的，這與管端因冷卻不好過熱而引起的裂紋不同，同時煙管還有周向裂紋，說明裂紋源不可能在管口端面。引起裂紋的機理非常復雜，結合鍋爐運行工況分析，裂紋的產生主要受到以下幾種因素的影響。

2.1 管端角焊縫部位熱應力大

燃油燃氣鍋爐的燃燒強度大，煙氣進入回燃室的溫度一般在900℃左右，回燃室管板溫度相對較低，所以管板要吸收來自高溫煙氣的輻射熱。同時，煙氣以一定速度進入煙管后，以對流傳熱的方式將熱量傳給煙管。就整個管板而言，其接受的熱輻射是比較均勻的，但管孔周圍的管板，除了接受輻射熱，還接受煙管吸收的對流換熱量，這部分熱量是通過煙管和管板的連接部位傳給管板的，在管孔處管板接受的熱量是輻射和對流兩部分熱量的疊加。在管子入口處，由于煙氣流動受到很大擾動，幾乎不存在熱邊界層，其局部放熱系數遠遠大于煙氣在管內達到穩定流動后的放熱系數，這就是所謂的“入口效應”?！叭肟谛笔篃煿芎凸馨迨軣岙a生很大的不均勻性，管端煙氣入口處熱負荷最大，會因為受熱膨脹不均，在角焊縫連接部位產生很大的熱應力。

2.2 煙管與管板角焊縫應力集中

在制造或修理過程中，因管孔未開坡口，或技術規范中明確要求的焊前預脹消除間隙的工序被忽略，或焊工作業人員未完全遵照焊接工藝施焊，則焊后焊縫根部可能有未焊透、未熔合等缺陷，減少焊縫的有效承載面積，造成局部應力集中，而且存在很大的焊接殘余應力。

在鍋爐啟動、運行和停止過程中，承壓部件除承受介質的工作壓力外，還會因不同部件的熱膨脹變形量不同，煙管與管板的角焊縫部位承受不同的拉伸、壓縮和剪切作用，產生較大的附加交變應力。在ASME規范中就規定，角焊縫承受剪切載荷時的許用應力只是金屬材料同溫度下許用應力的49%。很多熱水鍋爐采用出回水溫度參數自動控制啟停，啟停次數頻繁，有的熱水鍋爐一天內甚至啟停次數達十幾次之多。鍋爐運行中應力幅度的頻繁變化和應力集中，促使煙管與管板的角焊縫成為焊接結構的薄弱點。

2.3 高溫煙區內承壓部件水側結垢

對于煙管管端裂紋的鍋爐，檢查其高溫煙區內承壓部件水側通常都結有水垢，尤其是煙管和回燃室管板交界處周圍的水垢厚度達10mm。因為管孔壁處的熱負荷高，鍋水溫度高，水中碳酸鹽硬度物質的溶解度下降，容易沉淀析出，附著在金屬壁面上形成水垢大大惡化了鍋水對金屬壁面的冷卻效果，導致受熱面壁溫升高，力學性能下降。水垢還會引起結垢部位金屬的垢下腐蝕，由于結垢部位金屬壁溫升高，促使腐蝕速率提高。

2.4 閉塞區內的熱疲勞失效

煙管與管板焊接前預脹不充分或不預脹時，管子外壁和管孔壁間就會不同程度存在一定的間隙。即使是煙管與管板連接部位被水垢覆蓋，也會在鍋爐運行時有鍋水滲入，在間隙中形成一個環形水膜，由于被水垢與鍋水的主流場隔開，這里水循環不良，形成閉塞區。由于管孔處所受的熱負荷最大，“過冷沸騰”首先在這里發生。又由于汽泡不能自由地游離出間隙，因而汽泡逐漸聚集長大，使水膜變成了汽膜，管孔壁和煙管管端傳熱隨之惡化，造成局部金屬過熱。隨后，因汽膜膨脹破裂而噴出，再一次在間隙內形成水膜，局部過熱金屬又被鍋水快速冷卻，周而復始，這種循環每小時可以發生很多次，再加上角焊縫根部應力集中，所以，用不了很長的時間，就可能在角焊縫根部或其熱影響區內產生微裂紋。隨著運行時間的延長，在熱應力的反復交變作用下，微裂紋逐漸擴展成宏觀裂紋，造成煙管管端的熱疲勞失效，嚴重時裂紋可能擴展到角焊縫外表面，甚至延伸到管板上。

2.5 腐蝕疲勞加速裂紋擴展

在鍋爐運行時，煙管管端承受很高的交變熱應力作用，金屬晶格間產生滑移，破壞了金屬表面的鈍化膜，由于電化學腐蝕，在鈍化膜破損處產生微觀腐蝕。在煙管和管板之間的孔隙內，鍋水發生過冷沸騰時，汽化鍋水所溶解的鹽分轉移到未汽化的鍋水內，使鍋水高度濃縮，鍋水的導電性增強，并且此處的鍋水溫度高，金屬壁溫也很高，電化學腐蝕的反應速度大大加快。給水溶解氧不合格是電化學腐蝕的推動力，它是陰極去極化劑，使得腐蝕持續進行。微裂紋在交變熱應力和裂紋尖端的陽極溶解過程的共同作用下，不斷擴展。鐵受水中溶解氧的腐蝕是一種電化學腐蝕，鐵和氧形成兩個電極組成腐蝕電池，鐵為陽極失去電子，以離子形式進入鍋水中，氧在陰極吸收陽極釋放出的電子，起到陰極去極化作用，鍋水不斷溶入的氧，使腐蝕不斷加深。

綜上所述在高溫運行工況下，在交變熱應力、焊接殘余應力、鍋內工作壓力等因素共同作用下，當高溫煙區煙管與管板連接角焊縫根部存有未熔合、未焊透缺陷時，因有效承載面積減小，局部應力集中，促使裂紋源形成，裂紋擴展到一定程度，承受不了應力作用，導致沿角焊縫焊接熱影響區內未完全熔合區開裂，形成宏觀上的周向裂紋。對于存在魏氏組織的煙管管端，塑性和韌性下降而脆性增大，高溫性能下降，很容易在管壁有劃痕缺陷的部位首先形成微裂紋，進一步擴展就形成了軸向裂紋，擴展到煙管端面就變成了徑向裂紋。熱疲勞和腐蝕疲勞會加速裂紋的擴展，造成腐蝕性熱疲勞損壞，一般形成的裂紋都不太大，斷口既有疲勞破壞的特征，又有腐蝕破壞的特征。

3 預防管端裂紋產生的有效措施

通過以上對煙管管端裂紋產生原因的分析，可以采取以下有效措施預防管端裂紋的產生。

3.1 煙管與管板裝配連接工藝的改進

在制造或修理時，焊接前有預脹要求時，應在工藝規范中明確規定，預脹的脹管率不小于1%，保證煙管與管孔壁完全貼合。無論是制造廠生產，還是現場修理，煙管與管板焊接時，都應該嚴格執行已制定的工藝規范，焊接前一定要預先烘干焊條，焊接時保證周邊環境溫度符合規范要求。

為減小“入口效應”的影響，可將煙管高溫端入口適度擴大，再襯入耐熱套管，如圖1所示。為了減小管板所受的輻射熱負荷，降低高溫煙區管板和管孔角焊縫的壁溫，還可以在回燃室管板外壁敷上適當厚度的隔熱層。

圖1 煙管高溫管端襯入耐熱套管的示意圖

3.2 加強鍋爐的水質管理工作

使用單位應在鍋爐房配備至少一名持證的專職水處理化驗人員，并做好水質的化驗記錄工作。嚴格執行GB/T1576《工業鍋爐水質》標準的要求，保證鍋水各項指標在規定范圍內，使鍋內能夠達到良好的防腐阻垢效果。配置專人監管水處理工作，同時，還可以指導司爐操作人員科學的排污，既避免過度排污造成能源、資源的浪費，又避免排污不足造成鍋內結垢。

額定功率大于等于7.0MW的承壓熱水鍋爐，給水應進行除氧，其它鍋爐給水應盡量除氧, 對于沒有給水除氧設備的熱水鍋爐系統，應考慮軟水中使用亞硫酸鈉作為除氧劑或添加有機除氧藥劑。亞硫酸鈉是白色或無色晶體，易溶于水，是較強的還原劑，能與水中溶解氧發生如下氧化還原反應：

2Na2SO3+O2=2Na2SO4

每除去1g氧，約需8g無水亞硫酸鈉，常溫常壓下，水中含氧量約為8.8mg/L，理論計算無水亞硫酸鈉用量為69.3mg/L。在日常應用中應根據實際補水量來確定加藥量，留有富余量10%～20%即可。

應對敞口使用的軟化水箱，加裝可以浮動的輕質材料蓋板或薄膜與空氣隔絕，在浮動蓋板或薄膜上留出加藥口（不用時封閉），或在給水管路系統中增設加藥裝置和加藥泵，用以添加亞硫酸鈉或其它有機除氧藥劑。特別是系統補水量大，補水量多時更應如此改造，可使給水的含氧量保持較低的水平。

3.3 杜絕系統的跑、冒、滴、漏、控制補給水量

使用單位應當合理安排對系統的管道、閥門、法蘭進行檢修，對發現滲漏的部位進行修理或更換，及時采取措施解決系統的跑、冒、滴、漏等問題。對熱水鍋爐，可以往鍋水里添加栲膠或腐殖酸鈉等有機藥劑，既可以起到防腐阻垢的效果，又能充當染料使系統水著色，減少用戶的用水現象。控制補給水量可以減少鍋爐房水、電用量，避免鈉離子交換器頻繁再生，減少因調節鍋水品質而添加的藥量，防止過量氧氣和二氧化碳進入鍋爐，減少補給水帶入鍋內的硬度物質，能夠減緩鍋爐的腐蝕、結垢速率，降低鍋爐運行成本，延長鍋爐使用壽命。

3.4 改進鍋爐自動控制方式

推薦燃油燃氣熱水鍋爐采用比例調節模式控制鍋爐運行，避免鍋爐頻繁啟停。這種控制方式大大減少了鍋爐的啟停次數，可以減緩交變應力對受壓部件，尤其是煙管與管板角焊縫處的破壞作用，避免發生低周應力疲勞。同時，可以減少水垢脫落、堆積造成局部區域的水循環不良，降低閉塞區內腐蝕性熱疲勞發生的可能性。但是，小火燃燒容易造成爐內積碳現象發生，因此，要做好燃燒器的風量配比調節工作，并在每年停爐檢修期間做好積碳清理和停爐維護保養工作。

3.5 直接供熱改為間接供熱

對于具有經濟條件的鍋爐使用單位，如果鍋爐房空間允許，可以考慮對供熱系統進行改造，加裝“水－水”換熱器，把直接供熱方式改造成間接供熱方式，從而把鍋爐與供熱循環系統分離，形成獨立的二次循環系統。