鍋爐回燃室前管板（端）裂紋成因分析與優化措施
——以WNS型燃氣蒸汽鍋爐為例

官偉

（內江市特種設備監督檢驗所，四川內江 641000）

引言

近年來，燃氣蒸汽鍋爐因體積小、結構緊湊、檢修方便、運行穩定、具有較高熱效率和環保性等優點，正在不斷取代傳統的燃煤鍋爐。WNS 型臥式內燃濕背式燃氣蒸汽鍋爐（以下簡稱“WNS型燃氣蒸汽鍋爐”）回燃室前管板（端）由于受到制造工藝以及使用方法等因素的影響而出現大量裂紋的案例屢見不鮮。本文對這一問題進行深度分析，并提出相應的解決方案，希望為其他燃氣蒸汽鍋爐解決風險、安全使用提供啟發。

1 問題的提出

我市某食品加工企業2015 年8 月安裝一臺WNS型燃氣蒸汽鍋爐，2015年9月投入運行。鍋爐基本情況如表1所示，鍋爐主要受壓部件情況如表2所示。

2018年9月企業內部檢驗發現以下問題：

（1）回燃室前管板管孔區存在向外輻射狀裂紋28條，部分裂紋已從煙管管端穿過焊縫裂至管板，導致鍋水泄漏（如圖1、圖2所示）；

（2）回燃室煙氣側底部有積水（如圖1所示）；

（3）第二回程煙管進口處有白色結晶物（如圖2所示）；

（4）鍋爐水質長期不達標。

在顯微鏡下取樣進行觀察，發現在孔橋附近的裂紋呈現條狀，主要由晶粒粗大的鐵素體和珠光體組成，其端口具有沿晶、穿晶的特性；取樣進行化學成分分析和機械性能試驗，結果顯示原母材的化學成分和機械性能符合GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》[1]要求，孔橋裂紋處的材料化學成分與原材質無變化，但塑性降低。

2 成因分析

針對回燃室前管板（端）產生裂紋的原因，從結構設計、制造、運行等方面進行分析。

2.1 結構設計方面

輻射熱和對流熱對W N S 燃氣蒸汽鍋爐回燃室前管板的影響，以及入口疊加效應的影響，使WNS燃氣蒸汽鍋爐回燃室前管板成為鍋爐熱負荷之中承受溫度最高之處。查閱TBG1100MC型燃燒器手冊燃燒器功率與長度、直徑關系曲線（圖3）可知：

（1）可視火焰最大長度為5.25 m；

（2）可視火焰最大直徑為1.05 m；

表1 鍋爐基本情況

表2 鍋爐主要受壓部件情況

（3）火焰長度超過爐膽長度（爐膽長度為3.98 m）。

鍋爐爐膽直徑和長度設計得偏小，致使回燃室煙氣溫度高達近千攝氏度，加之有部分煙管的長度過長，超長部分又接觸高溫煙氣，溫度不能降低，致使管孔區出現短裂紋。

2.2 制造工藝方面

首先，制造單位沒有按照設計圖紙和標準控制回燃室前管板（端）長度。GB/T 16508.4-2013《鍋殼式鍋爐》規定：煙管與管板裝配時，對于與600℃以上的煙氣接觸的管板，焊接連接的煙管和拉撐管應采取消除管板與管孔壁的間隙，且管子超出其與管板連接焊縫的長度應符合下列規定：當煙溫大于600℃時，不應大于1.5 mm[2]。現場實際測量回燃室前管板煙管管端伸出長度在2～3 mm（如圖2所示），不符合上述規定。

其次，制造單位未按照技術圖樣和工藝文件要求，令煙管與回燃室前管板先脹管后焊接。文獻[3]給出了煙管管端裝配示意圖，如圖4所示。可以得出，煙管外壁與管孔壁之間有一定間隙，一般是0.5～0.9 mm。因為在焊接前，管板與回燃室未按要求提前脹管，而是直接焊接，因此無坡口，導致連接處管板厚度方向存在周向間隙，間隙深度與管板厚度均為20 mm，超出規格要求。

圖1 回燃室前管板泄漏、積水

圖2 回燃室前管板（端）裂紋、白色結晶物

2.3 運行規程方面

2.3.1 燃燒器火焰長度調整過長，導致火焰直接加熱管孔區

使用單位在用汽高峰時需用蒸汽量過高，蒸汽供不應求。為折中考慮，使用單位增加了不允許的氣體輸入和噴射壓力，增加了燃燒器的火焰行程，增加了爐內火焰長度，使得爐內火焰燃燒到回燃室及其管孔區域，如果管孔表面溫度超過設計值，那么火焰溫度將高達1000℃以上。高溫煙氣和火焰沖刷管端，使得管端邊緣效應變大，管端溫度局部升高，材料強度減弱。文獻[4]對鍋爐管板和焊接建立了分布模型，利用ANSYS軟件對溫度上限進行了分析，得到了圖5所示的溫度分布云圖。該模式與本文中的管板結構相類似，從而管區溫度分布也與圖5相類似。其中，管束溫度最高，特別是管端邊緣離鍋水最遠，煙氣沖刷最嚴重，而開裂起點又主要在該處（如圖2所示）。由于管端的內外部分成直角，因此截面面積小、強度低，煙管內部位置就比外部更容易受到損壞。

圖3 燃燒器功率與長度、直徑關系曲線

圖4 煙管管端裝配示意圖

圖5 鍋爐管板和焊接分布模型及溫度分布云圖

2.3.2 煙管與回燃室前管板之間存在的間隙使得溫度交變應力產生

在鍋爐運行過程中，由于煙管與回燃室前管板之間存有間隙，鍋爐水滲入縫隙，形成圓形水膜。回燃室前管板孔處的熱負荷最高，當圓形水膜被加熱產生氣泡時，氣泡不會從裂縫中釋放出來。水膜逐漸變成蒸汽膜，管壁和管端的傳熱使整個蒸汽膜劣化，并從縫隙中噴出，爐水再次滲入，又形成水膜。隨著水膜出現的溫度變化作用于管區，焊接裂紋逐漸出現，并不斷擴展，導致管板及相關部位開裂。

2.3.3 鍋爐啟停頻繁，負荷波動大

查閱鍋爐運行記錄，鍋爐啟停頻繁，前管板溫度不斷升降，管區的溫度變化產生熱應力，管區焊接接頭產生熱疲勞裂紋，造成負荷波動大。

2.3.4 鍋爐內局部區域水循環不良，管板冷卻效果不佳

鍋爐在運行過程中，管板附近的爐水會形成局部對流，使得鍋爐循環不暢。當管板附近的爐水長期處于停滯或流動緩慢的狀態時，管板無法有效冷卻，導致管板溫度過高（特別是如果過冷時熱負荷過高，管板表面的鍋爐水會使運行工況惡化）。

2.3.5 水質不達標，受熱面嚴重結水垢

鍋爐運行期間水質長期不達標，鍋爐汽水分界面以下普遍結有水垢，水垢厚度達1～2 mm，其中回燃室前管板水側結垢較嚴重，此處也正是水循環不暢處，它會在煙管外壁的受熱面和管板的水側造成較厚的水垢。由于水垢的導熱系數只有鋼的1/20～1/50，因此管端無法可靠冷卻。管端處于過熱狀態，容易就地萌生裂紋。

3 優化措施

基于第2章的原因分析，提出以下優化措施，以有效防止裂紋的產生，保證鍋爐安全運行。

3.1 優化鍋爐結構設計，控制鍋爐內溫度

優化鍋爐結構設計，使燃燒器與爐膽相匹配，以降低回燃室煙氣溫度及熱負荷，降低回燃室前管板裂紋風險。回燃室的設計溫度宜控制在900℃左右。

同時，為了減小回燃室前管板煙管的延伸長度，對鍋爐高溫區管板進行了改進和嘗試（如圖6所示），取得了良好的管端冷卻效果[5]。

圖6 高溫區管板改進設計

此外，在回燃室前管板煙氣側設置30～60 mm耐火隔熱層，防止煙氣直接沖刷管板。耐火隔熱層可采用氧化鋁耐火水泥，管端可加耐熱短管（可采用鋼合金耐熱鋼或耐熱高溫陶瓷管），以降低管端的熱量，防止其過熱產生熱疲勞，并對保溫層起到支撐作用。

3.2 加強鍋爐安裝環節的監督檢驗

在鍋爐安裝環節監督檢驗中，監督檢驗人員可以要求鍋爐安裝單位打開后煙箱檢查孔，檢查回燃室前管板煙管管端伸出長度是否滿足標準要求。若煙管管端伸出長度超標，應通知廠家專業技術人員到場將超標的煙管管端打磨切除，并經無損檢測（滲透檢測）合格后，對鍋爐進行水壓試驗，驗證有無泄漏。水壓試驗合格后，才能安裝后煙箱檢查孔[6]。

以上是為了防止鍋爐制造企業在制造環節疏忽大意，沒有嚴格控制回燃室前管板煙管管端長度，而通過監督檢驗，可以將此類缺陷消除在安裝環節。

3.3 強化使用單位對鍋爐運行的管理

使用單位應嚴禁鍋爐超負荷運行，應嚴格按照鍋爐設計參數調節鍋爐內火焰，應加強燃燒機的日常維護和保養。同時，提升鍋爐水質管理，加強水質監測[7]。

4 結論及建議

綜合全文所述，W NS 型燃氣蒸汽鍋爐裂紋事件的產生原因包括鍋爐結構設計不合理、鍋爐制造工藝不合理，以及由上述因素導致的運行故障。筆者認為造成本次事故的主要原因為回燃室前管板（端）煙管管端伸出長度超標、使用單位頻繁啟停鍋爐、相關人員在燃燒器入口私自增加天然氣壓力等；次要原因是鍋爐水循環不暢、前管板（端）水側結垢等。

建議在鍋爐設計、制造、運行等環節嚴格把關，有效防止回燃室前管板（端）裂紋的出現，以延長鍋爐的使用壽命，保證鍋爐安全穩定運行。