淺析熱水鍋爐管端裂紋的產生原因及預防的有效措施

賈春亮

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。

一、 管理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。

二、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上幾種因素的影響。

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.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。

三、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。

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。

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.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?？刂蒲a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。

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。

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。