臥式內燃鍋爐管板裂紋原因分析及處理措施

徐火力，丁勁松

（廈門市特種設備檢驗檢測院，福建廈門 361004）

0 引言

廈門某酒店3 臺WNS3-1.0-Y（Q）型鍋爐（1#—3#爐），制造單位為杭州某設備公司，2008 年3 月制造，2009 年6 月投用。鍋爐額定蒸發量3 t/h，額定蒸汽壓力1.0 MPa，額定蒸汽溫度184℃，燃料為天然氣，采用鍋外水處理。鍋筒、管板材料為16Mng，厚度為16 mm。鍋爐結構采用臥式回燃式濕背鍋爐形式，爐膽為回燃室，前管板受熱溫度較高，工作條件較差。

1 鍋爐裂紋情況

2019 年5 月，對2#、3#鍋爐進行內部檢驗過程中，檢驗員發現2#爐前管板有14 處裂紋（圖1），3#爐前管板有5 處裂紋（圖2）。其中管板孔橋裂紋最長25 mm，煙管端口裂紋最長22 mm，裂紋周邊有明顯水垢及水痕，即裂紋為穿透性裂紋。檢驗員立即開具檢驗意見通知書，告知使用單位2#、3#鍋爐應停止使用并進行整改。同時，針對2#、3#鍋爐同時出現管板裂紋的情況，推斷還在使用運行的1#鍋爐可能也存在管板裂紋的情況。因此，要求使用單位立即停止使用1#鍋爐并對鍋爐進行內部檢驗。經檢驗發現1#鍋爐前管板存在3 處裂紋（圖3）。通過鍋爐內部檢驗，及時發現安全隱患，避免了鍋爐發生事故。

圖1 2#爐前管板

圖2 3#爐前管板

圖3 1#爐前管板

2 裂紋原因分析

2.1 進一步檢查缺陷部位的情況

2.1.1 資料審查

調取并查閱3 臺鍋爐歷年內外部檢驗報告、水處理監督檢驗報告、出廠資料、鍋爐運行記錄和水質化驗記錄等資料。發現存在以下問題。

（1）鍋內水垢較厚，局部達到2.0 mm，鍋底積存大量垢渣。

（2）鍋水全堿度、相對堿度長期偏高，全堿度有時達到40 mmol/L，遠高于上限26 mmol/L，相對堿度遠高于上限0.2[1]。

（3）鍋爐煙管與管板焊接未采用先脹后焊的工藝，如圖4 所示。

圖4 管板與煙管連接結構

2.1.2 外觀檢查和檢測分析情況

對缺陷鍋爐管板進行外觀檢查、硬度和光譜檢測、水垢和煙管泄漏處灰垢混合物取樣分析，檢查情況如下：

（1）管板無變形，管端伸出長度符合要求。

（2）從鍋筒內部可看到煙管與管板之間存在明顯縫隙，如圖5 所示。

圖5 鍋內管板與煙管連接

（3）管板裂紋從里向外發展，裂口陳舊且附近有黑色氧化鐵。

（4）管板裂紋周圍硬度、光譜未見異常。

（5）鍋內水垢為碳酸鹽和硅酸鹽混合物，灰垢混合物堿含量比例高，且含有氧化鐵物質。

2.2 產生缺陷的原因分析

通過觀察管板裂紋形態和位置，綜合以上資料審查、外觀檢查和檢測分析結果。判斷該管板裂紋主要為苛性脆化應力腐蝕裂紋。產生裂紋的主要原因如下：

（1）前管板（高溫側焊接管板）的煙管端口未采用先脹后焊工藝，煙管與管板間存在間隙。侵入間隙內的鍋水不斷濃縮，由于爐水一般保持一定堿度，在間隙中鍋水流動不暢，被不斷濃縮，堿度不斷提高，大大超過允許限值，為產生應力腐蝕創造了條件。侵入煙管與管板間隙中的水不能進行良好循環，局部空間內產生蒸汽，壁溫升高。蒸汽沖出間隙后，溫度相對較低的鍋水又進入間隙，如此反復一熱一冷，造成管板間隙處產生高度集中的交變熱應力。在高度集中的應力和堿性環境的共同作用下，造成管板堿性脆化腐蝕，導致管板裂紋的產生和發展，即苛性脆化。

（2）鍋爐運行時水處理不合格，鍋水全堿度、相對堿度過高，更易造成鍋爐苛性脆化。

（3）管板內側覆蓋較厚水垢，使管板得不到可靠冷卻。管孔處高溫金屬不時受到鍋水急冷收縮，受到周圍金屬的約束，產生過大的拉應力而在管孔邊緣開裂，并擴展到外側。

（4）鍋爐運行啟動頻繁，升壓降壓等負荷驟然變化，使工況最差的管板應力過于集中，應力變化過于頻繁。

3 建議修復方案

（1）根據TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗規則》規定，對于因苛性脆化產生的裂紋，只能采用挖補或者更換部件的方式進行處理[2]。因此，建議采用整體更換前管板的方式進行修理。

（2）修理時建議煙管與管板之間采用先脹后焊，焊后再脹的工藝方法。借助金屬的塑性變形來消除間隙，再用焊后再脹的方法來消除因焊接而形成的間隙。

（3）嚴格控制煙管端口伸出管板長度。根據GB/T 16508.3—2013《管殼鍋爐》及有關鍋爐制造技術標準的要求，當管板與600 ℃以上的煙氣接觸時，其煙管端口伸出焊縫的長度不應超過1.5 mm[3]。

（4）由于鍋爐房場所狹小，現場進行更換管板、焊接煙管等一系列修理工作，工作難度大，維修質量難以保證。建議整體拆除鍋爐，運回鍋爐制造廠進行維修，同時委托當地特種設備檢驗機構進行相應的修理監督檢驗。

4 修復結果

維修單位（鍋爐制造廠）和使用單位采納了上述建議。鍋爐運回制造廠進行維修，嚴格按照修理方案進行維修施工，維修質量符合相關標準要求，當地特種設備檢驗機構出具了修理監督檢驗合格報告。鍋爐維修質量得到了很好保證，3 臺鍋爐很快重新投用。

5 防范措施

通過分析臥式內燃鍋爐管板產生裂紋的原因，找出管板產生裂紋缺陷原因。由苛性脆化導致的缺陷后果非常嚴重，輕者使鍋爐不能使用，重者會引發鍋爐爆炸，造成嚴重事故。因此，為確保鍋爐安全可靠運行，建議對臥式內燃鍋爐采取以下相應的防范措施。

（1）嚴把鍋爐制造、修理質量關。在鍋爐制造、修理過程中，煙管與管板的連接結構，宜采用焊前先預脹，徹底消除煙管與管板間隙后再進行煙管與管板焊接。嚴格控制管子伸出管端焊縫的長度，焊后再進一步施脹，以消除因焊接形成的間隙，即采用“脹—焊—脹”的工藝，如圖6 所示。

圖6 管板與煙管脹接焊接結構

（2）加強水處理管理工作。進一步完善水處理規章制度和操作規程，提高作業人員的操作水平及責任心；保持水處理設備及化驗儀器設備的完好性；做好鍋爐水質分析工作，確保水質符合GB/T 1576—2018《工業鍋爐水質》的相關要求，避免和減少水垢的生成，同時嚴格控制鍋水堿度，維持鍋水相對堿度小于0.2[1]。

（3）加強鍋爐運行管理工作。在鍋爐運行中，負荷變化要平穩，禁止超負荷運行，同時盡量減少鍋爐啟停次數，以減少應力變化；防止鍋爐缺水，確保受熱面得到可靠冷卻。