一臺電站鍋爐管端裂紋產生的原因分析

宋寅

摘 要：在對某化肥廠的一臺35t電站鍋爐進行內部檢驗的過程中，經磁粉檢測發現該鍋爐上下鍋筒的水冷壁管、對流管和下降管出現了大量的管端裂紋，存在嚴重的不安全隱患?；诖?，本文通過對鍋爐出現管端裂紋現象的分析，從結構和運行上闡述了鍋爐發生管端裂紋的原因及危害，并提出了幾項預防和改進措施。

關鍵詞：電站鍋爐；磁粉檢測；管端裂紋

中圖分類號：TK228 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0057-02

Analysis on the Causes of Pipe end Crack in a Utility Boiler

SONG Yin

（Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016）

Abstract： In the internal inspection process of a 35t power plant boiler in a chemical fertilizer plant， it was found that a large number of pipe end cracks appeared in the water cooled wall tube， convective tube and descending pipe in the boiler tube and the lower boiler tube， and there were serious unsafe hidden dangers. Based on this， this paper through the analysis of the cracks in the tube end of the boiler， the cause and harm of the crack in the tube end of the boiler were expounded from the structure and operation， and several prevention and improvement measures were put forward.

Keywords： utility boiler；magnetic powder testing；tube end crack

1 鍋爐介紹

某化肥廠的電站鍋爐為國內某鍋爐廠1979年制造，1980年投入使用，至檢驗時已運行近32年。由于該鍋爐制造時間較早，原設計圖紙、原始安裝資料以及其他技術資料遺失嚴重。因此，廠方不能提供詳細的原始出廠技術資料。據介紹：鍋爐型號為SHF35-2.45/400，制造編號不詳，累計運行時間約33萬h，最大蒸發量35t/h，設計出口壓力2.45MPa，設計出口溫度400 ℃，上、下鍋筒材質均為20g，上鍋筒壁厚為28mm，下鍋筒壁厚20mm。

2 裂紋情況

檢驗過程中發現上下鍋筒水冷壁、對流管及下降管與鍋筒角焊縫及熱影響區均存在表面裂紋，形狀為發散狀，經打磨測深6～7mm，具體情況如下。①上鍋筒：下降管6根，其中4根有裂紋，占67%；②前后及兩側水冷壁管56根，其中38根有裂紋，占68%；③對流管306根，其中202根有裂紋，占66%。④下鍋筒：對流管306根，其中236根有裂紋，占77%。

3 鍋爐管端裂紋產生的原因

3.1 結構不合理

據廠內管理人員介紹，該爐為北京鍋爐廠設計制造。原設計為脹接結構，在安裝過程中改為焊接結構，但是脹改焊未進行工藝評定。脹接改為焊接后，現場焊接因鍋筒壁厚較厚，焊接后又無法進行整體熱處理。這就必然導致在現場安裝施工過程中工藝有較多不合理處。鍋爐運行30多年來，對流管曾經更換過多次。1985年以后，就發現在上下鍋筒水冷壁管、對流管及下降管角焊縫及熱影響區部位開始出現裂紋，隨著連續運行時間的增加，1994年以后，出現裂紋的管端越來越多，基本上每2～3年都要對裂紋進行處理，局部修理已超過3次以上，并且均未進行焊后熱處理。

經過分析，筆者認為，脹接改為焊接后，現場焊接因鍋筒壁厚較厚，水冷壁管、對流管和下降管壁厚較薄，焊接后因現場條件所限無法進行整體熱處理，現場安裝施工過程中工藝有較多不合理性，這是裂紋產生的主要因素[1]。

焊后不進行熱處理，不能消除焊接過程中的應力。在焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構件本身產生拘束或外加拘束，焊接工作結束后，在構件中總會產生焊接應力。焊接應力在構件中的存在，會降低焊接接頭區的實際承載能力，產生塑性變形，嚴重時還會導致構件破壞。消應力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態下，其屈服強度下降，以達到松弛焊接應力的目的[2]。

多次換管和超過3次以上的局部修理，都會對金屬組織產生直接影響。伴隨焊接施工，會產生殘余應力。焊接殘余應力是由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布、焊縫金屬熱脹冷縮等。所以，多次焊接，其焊接接頭會出現淬硬組織，使材料的機械性能變壞。這種淬硬組織在焊接應力及氫的作用下，可能導致接頭破壞。如果經過熱處理以后，接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而可以改善焊接接頭的綜合機械性能[3]。

因此，鍋爐安裝過程中應嚴格按照標準及圖紙、工藝要求進行。脹改焊的改變，應經充分研究論證，要符合相關工藝設計要求才能進行。未經工藝評定就擅自改變其結構，必然會對受壓元件造成較大影響。

3.2 頻繁啟停

據了解，該企業生產極不穩定，該爐屬于調峰機組，有生產任務時，立即點爐運行，無生產任務時，鍋爐立即停運，啟停鍋爐未按照操作規程進行，緊急啟用和緊急停爐是家常便飯。鍋爐在運行過程中，由于生產的不穩定，導致鍋爐頻繁啟停，這也是促使管端裂紋出現的主導因素。點火升壓、升溫、升負荷速度太快，并且停爐冷卻過快，使爐內冷熱不均勻，產生過大的熱應力。因負荷突減，氣壓突增，使壁厚較厚的鍋筒與壁厚較薄的水冷壁管、對流管和下降管的焊接角焊縫及熱影響區部位存在較大的溫差應力，應力高度集中處，因負荷和壓力波動以及頻繁啟動導致應力周期變化，引起大應力低周疲勞裂紋。

3.3 超負荷運行，運行中負荷變化過大過快

近幾年化肥供給關系形勢好轉，企業效益看好，生產形勢極度緊張，鍋爐長期超負荷連續運行，運行中負荷變化過大過快。鍋爐長期處于高溫、高壓、高應力的環境下連續運行，鍋筒的上下部及內外部之間、管子與鍋筒之間，由于受熱不均勻，再加上不正常的運行工況，往往能產生很大的溫差，妨礙自由膨脹或收縮。鍋爐在運行中因受熱不均勻，產生熱應力或溫差應力，熱應力會經常變動，產生熱疲勞。加上結構缺陷，使該部位的交變應力進一步加劇，在生產中經常超負荷連續運行，加速了裂紋的發展。

3.4 腐蝕作用

焊縫部位由于熱應變作用會產生很大的殘余應力，在腐蝕作用下，熱疲勞應力不斷使裂紋尖端的保護膜破壞，形成腐蝕電池的陽極，使裂紋不斷被腐蝕，加快了發展。

4 結論

筆者認為，該裂紋的發生，不僅因為結構不合理，在使用管理上也有一定的問題。要從根本上解決問題，確保鍋爐安全經濟運行，企業在以后的工作中應在以下幾個方面加以重視：①鍋爐在安裝過程中應嚴格按照標準及圖紙、工藝要求進行；脹改焊的改變，應經充分研究論證，要符合相關工藝設計要求；②運行過程中，嚴格按照規程操作，盡量避免頻繁啟停；③堅決杜絕長期超負荷運行，加強管理，提高水平，以保證鍋爐安全經濟運行；④企業應制定更新計劃，超過設計壽命的鍋爐應及時進行更新，避免超期服役現象發生；⑤加強出廠技術資料的管理，管理人員應對技術資料借閱等進行登記；⑥企業應建立健全金相監督和化學監督制度，設置金相監督和化學監督的專職人員，設置相應的設備，對鍋爐材質的變化做到心中有數[4]。

參考文獻：

[1]戈曉嵐，楊興華.金屬材料與熱處理[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]趙敩，朱兆富.動力鍋爐檢驗及故障分析[M].北京：勞動人事出版社，1985.

[3]李之光，王銑慶，劉曼青，等.鍋爐安全基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1980.

[4]陳學俊，陳聽寬.鍋爐原理[M].北京：機械工業出版，1981.