堿液回收鍋爐水冷壁管的開裂原因

樊玲芳 湖北科技學院工程技術研究院

謝禮志 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所

堿液回收鍋爐水冷壁管的開裂原因

樊玲芳 湖北科技學院工程技術研究院

謝禮志 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所

某造紙企業一臺型號為XXJ280/32-3.82/450的廢堿液回收鍋爐在檢修過程中發現爐膛水冷壁滲漏。對其進行水壓試驗，在壓力上升過程中，水冷壁衛燃帶區域大量管子嚴重滲水。該鍋爐于2001年1月投入使用，累計運行約8萬h，使用的燃料為造紙生產過程中產生的廢堿液。膜式水冷壁管材質為20G，尺寸為φ45×4mm；衛燃帶管子迎火面外表面焊有抓釘，抓釘尺寸為φ10×18mm。上次內部檢驗報告顯示，爐膛衛燃帶的耐火層已全部垮塌，水冷壁上結焦嚴重，管外壁附著有堅硬的焦殼。

1 檢驗情況

對該鍋爐水冷壁首先進行宏觀檢查。發生滲漏的管子主要集中在水冷壁的左、右側墻衛燃帶區域，衛燃帶以上未見滲水痕跡。對滲漏的管子進行外觀檢查發現，管壁上在抓釘附近存在肉眼可見的橫向裂紋；進而對各處滲漏部位進行檢查，均發現了類似的橫向開裂的情況。將開裂的管子外表面打磨光亮，進行磁粉探傷，開口裂紋可清晰地顯示，如圖1所示。

圖1 水冷管壁外表面橫向裂紋

在宏觀檢查中，除了橫向裂紋外，未發現管子有明顯變形、外表面腐蝕、壁厚減薄等其他缺陷。

對滲水處的水冷壁管割管檢查，其內表面未見明顯腐蝕、結垢現象。將內表面打磨光亮后進行磁粉探傷，在迎火面內表面上發現了大量橫向裂紋(如圖2所示)。管子背火面的內、外表面未發現裂紋及其他缺陷。

圖2 管子迎火面內表面橫向裂紋

觀察割管試樣迎火面內表面的橫向裂紋，發現其分布有較強的規律性，即呈平行狀態密集分布，且位于每一排抓釘對應的管子迎火面內表面。

對管子內表面進行金相檢查，金相圖片如圖3(a)所示。顯微組織為鐵素體+珠光體，組織無明顯異常；圖中黑色粗直線為裂紋的微觀形態，從中可以看出，裂紋的擴展形態主要為穿晶，晶界上未發現晶間裂紋及蠕變空洞等顯微缺陷。將管壁縱向剖開后可以看到，裂紋起源于內表面，由內往外擴展如圖3(b)所示。

圖3 水冷壁管金相組織及裂紋

2 原因分析

根據以上的檢驗結果，可以排除外部介質腐蝕、金屬過熱、材質劣化、蠕變開裂、內表面腐蝕開裂等裂紋產生因素。首先，對管子迎火面進行溫度場的模擬分析。爐膛衛燃帶的耐火層脫落，水冷壁管外表面上抓釘裸露，在爐膛火焰的加熱作用下，由于不像管內壁那樣能夠得到有效冷卻，抓釘及其附近靠近外表面的管壁金屬溫度將高于周圍區域的溫度。本文使用Pro/E軟件中的Mechanica模塊對水冷壁管的溫度場進行模擬分析[1]，假設管內水溫為200℃，爐膛煙氣溫度800℃，外表面的溫度場如圖4所示：

圖4 水冷壁管迎火面外表面溫度場

根據分析結果，抓釘及其根部的管壁溫度明顯高于周圍區域，抓釘端部點2比管壁外表面點1的溫度高60℃以上；管壁內表面的溫度分布也不均勻，如圖5所示，點3區域比點4的溫度高20℃左右；管壁外表面抓釘根部點5比內表面點3的溫度也高出10～15℃。

圖5 水冷壁管迎火面內表面溫度場

溫差的存在將導致熱應力的產生。在不考慮其他載荷的情況下，抓釘及其根部靠近外表面的管壁金屬（圖4中點5區域）受熱體積膨脹，而其根部對應的內壁區域（如圖5中點3對應的區域）受到汽水混合物的冷卻作用體積膨脹量相對較小，這會使內壁金屬產生軸向的拉應力，而靠近外壁的金屬產生軸向壓應力。雖然此熱應力不足以直接導致塑性變形或開裂，但是，入口工質狀態、爐內熱流密度、質量流量、質量含汽率等對水冷壁溫度均會產生影響，管壁隨時會有溫度起伏[2]，其應力狀況也因此會出現波動，在鍋爐長期運行的狀態下，最終產生垂直于應力方向的疲勞裂紋。此外，由于內壁受到的是拉應力，而外壁受到壓應力作用，因而內壁比外壁更容易產生裂紋。

檢驗人員通過進一步調查得知，該公司檢修人員在停爐后為使爐膛快速冷卻，在爐膛溫度較高的情況下使用常溫水對水冷壁左、右側墻進行沖淋。此舉一方面同樣會使水冷壁管內、外壁產生溫差應力，另一方面，由于附著在水冷壁管上的焦殼線膨脹率與金屬不相同，焦殼便會阻礙抓釘隨管壁的收縮位移，使抓釘根部及其附近的金屬產生較大的拘束應力，加速了內壁疲勞裂紋的擴展，直至管壁開裂。由于前、后側墻未受到常溫水直接沖淋，所以開裂管子的數量要比左、右側墻少得多。

3 總結

根據以上檢驗、分析的結果，筆者可以得到以下結論：

1）管子裂紋的產生可以排除外部介質腐蝕，金屬過熱、材質劣化，蠕變開裂，內表面腐蝕開裂等因素的影響；

2）管子外壁抓釘及其附近區域的溫度高于內壁，使內壁金屬產生軸向拉應力；受到管壁溫度起伏的影響，內壁的應力狀況反復變化，疲勞裂紋因此產生；

3）停爐過程中，在爐膛溫度尚高的情況下使用常溫水直接對水冷壁進行沖淋，使抓釘根部管壁產生較大的拘束應力及溫差應力，大大加速了疲勞裂紋的擴展。

1 萬啟超,魏田和.Pro/Engineer Wildfire 3.0結構、熱、運動分析基礎與典型范例.北京：電子工業出版社,2008－03

2 劉佳,李素芬.自然循環鍋爐水冷壁溫度計算方法及影響因素分析.能源工程,2007－06

2013－07－31）