關于鰭片超溫撕裂受熱面管的典型案例分析

趙勇

摘要：本文主要分析了某鍋爐廠制造的一臺蒸汽發生器在使用過程中發生了水冷壁管被鰭片撕裂滲漏現象，對這一典型案例進行分析說明，以供參考。

關鍵詞：蒸汽發生器;鰭片撕裂;受熱面管;案例分析

1前言

近年來，隨著國家對鍋爐產品的安全、能效、環保要求的不斷提高，使得對鍋爐制造單位和使用單位的要求也越來越高。在市場需求的催生下，使得小型蒸汽發生器得到了廣泛的應用。但因其產品定位在D級鍋爐或正常水容量小于30L的特種設備范疇之外，致使在生產使用過程中缺少相關部門的有效監督，使產品質量良莠不齊，存在著一定的安全隱患。

最近，某鍋爐廠制造的一臺蒸汽發生器，在使用過程中就發生了水冷壁管被鰭片撕裂滲漏現象，如下面圖片一至圖片四所示。因其損傷案例比較典型，特作如下分析說明。

2制造單位采用此種爐型的目的和優點

該設備為正常工作水容量小于30L且額定蒸發量為0.2t/h的燃天然氣蒸汽發生器，不屬于特種設備目錄范疇，不需要也未經過制造監督檢驗。由圖片可以看出，此蒸發器主要結構由下環型集箱，四周水冷壁管及上部節能器組成。鍋爐燃燒室采用了類似于膜式水冷壁的結構，只是把管子間的鰭片換成了45°軸向布置的角鋼，水冷壁規格為φ51×3.0mm，節距為90mm，角鋼規格為40×40×3mm，在燃燒器接口區域的鰭片寬度為210mm，厚度為3mm。燃燒室用水冷壁管代替爐膽，目的是減少鍋爐的水容量，而采用類似膜式壁結構，可有效減少燃燒室（爐膛）的散熱損失，提高燃燒效率，不僅保證鍋爐的額定出力，且對鍋爐外包還能起到一定的保護作用。

3此爐型存在的問題和可能導致的損壞

首先，制造單位為了防止燃燒機的火焰直接沖刷受熱面管，造成受熱面管過早結垢損壞，用耐火泥將燃燒器接口對面的受熱面管進行了覆蓋，但這樣就進一步減少了燃燒室的受熱面，加大了燃燒室（爐膛）的熱負荷，會造成燃燒室（爐膛）的溫度過高。

其次，已有成熟的研究表明：鰭片中心表面溫度與鰭片寬度的平方成正比，與鰭片厚度成反比。即在鰭片厚度不變的情況下，鰭片越寬，其中心表面溫度就越高，鰭片區域的溫差應力也越大，由熱疲勞導致的開裂情況就越嚴重，而單純由鰭片過寬引起的開裂多是在鰭片中心部位發生的變形開裂。而該爐型燃燒器接口處的鰭片（或者稱之為扁鋼）寬度達210mm，僅考慮了燃燒室的密封作用，忽視了扁鋼的有效冷卻問題，而特種設備安全技術規范中明確要求：膜式壁等結構中與管子焊接的扁鋼，其膨脹系數應當和管子相近，扁鋼寬度的確定應當保證在鍋爐運行中不超過其金屬材料許用溫度，焊縫結構應當保證扁鋼有效冷卻。根據文中圖片四的顯示可以清楚地看到，該鍋爐燃燒器接口處的扁鋼已明顯過燒變形，并在扁鋼中心部位產生了橫向斷裂，這就是沒充分考慮上述安全技術規范要求所帶來的直接后果。

另外，因鰭片與管子在正常工況下的換熱狀況不同，造成管子與鰭片的熱膨脹量不可能完全一致，所以在他們之間會產生應力。而鰭片與管子的焊縫組織特點導致其疲勞強度比母材要低得多，所以在鰭片寬度設計合理的情況下，水冷壁鰭片的疲勞損傷首先在焊縫處發生是有理論基礎支撐的。而針對該臺鍋爐，鰭片（扁鋼）與水冷壁管的焊接采用的是手工二氧化碳氣體保護焊，因其不屬于特種設備，所以焊接工藝和工藝紀律的執行也缺少有力的監督，鋼管與扁鋼的焊縫熔深、未熔管壁厚度等關鍵要素也得不到有效控制。而該蒸發器的水冷壁管壁厚只有3mm，上述要素的控制就更為重要。所以在焊接質量等綜合因素影響下，主要是扁鋼尺寸過寬無法得到有效的冷卻，在扁鋼自身的溫差內應力和水冷壁管與扁鋼膨脹量不同所帶來的疲勞應力的共同作用下，最終導致扁鋼與水冷壁的連接焊縫處撕裂并貫穿母材造成滲漏（見圖片二）。

由上述分析可見，解決該爐型燃燒器接口處鰭片（扁鋼）開裂及其與水冷壁連接焊縫處撕裂的簡單有效方法是：在扁鋼密封板上焊接適當數量的抓釘，并涂敷耐火泥進行絕熱處理。但此爐型的爐膛熱負荷及鍋爐熱效率等問題需制造單位另行考慮。

4結束語

總之，最后需要說明的是，鍋爐膜式管屏的應用已有多年，尤其在大型鍋爐機組上的應用更為廣泛，其很多優點都已得到業界的普遍認同，且生產加工工藝也相對成熟，普遍采用自動化生產線設備進行焊接彎制等，質量穩定有保證。近幾年，不少蒸發器生產廠家把此技術應用到蒸汽發生器的設計制造上，由于受工裝設備的限制且大量采用手工焊，無論是冷作加工質量還是焊接裝配質量都無法達到相關鍋爐專業標準的要求。

（作者單位：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院鎮江分院）