臥式內燃熱水鍋爐管口和管板裂紋的原因與預防措施

潘昌亮

（貴州省特種設備檢驗檢測院，貴州 貴陽 550000）

臥式內燃熱水鍋爐在采暖領域廣泛應用，在實際運行過程中，多次出現回燃室前管板管口開裂和管板裂紋現象，現以某兩個單位的WNS型臥式內燃燃氣熱水鍋爐進行分析。

1 鍋爐管口和管板裂紋概況

1.1 案例情況

（1）某單位5臺熱水鍋爐（型號：WNS7-1.0/130/70-Y（Q））為回燃式熱水鍋爐，于2010年3月制造，2011年1月投入運行。鍋爐額定參數為壓力1.0MPa，溫度130℃，額定出力7MW，燃料種類為天燃氣。水處理形式為鍋外水處理。2014年10月01#鍋爐回燃室前管板下部挖補、同年04#鍋爐回燃室前管板下部挖補和05#鍋爐更換部分煙管；2017年12月04#鍋爐更換部分煙管、同年03#鍋爐更換部分煙管；2018年01月01#鍋爐更換部分煙管；2019年11月03#鍋爐更換部分煙管、同年04#鍋爐更換部分煙管、01#鍋爐更換部分煙管及回燃室前管板左側1處裂紋、02#鍋爐更換部分煙管、05#鍋爐更換部分煙管[2]。

（2）某單位2臺熱水鍋爐（型號：WNS1.4-1.25-60/50-QT）為回燃式熱水鍋爐，于2012年11月制造，2013年1月投入運行。鍋爐額定參數為壓力1.25MPa，溫度60℃，額定出力1.4MW，燃料種類為天燃氣。水處理形式為鍋外水處理。2016年3月發現01#和02#鍋爐回燃室前管板與煙管連接部位水側水垢厚1～3㎜，并堆積大量軟垢，回燃室前管板與煙管管座煙氣側作整體滲透檢測，發現煙管與管板連接部位有多處裂紋缺陷。

1.2 滲透檢測

（1）于2017年2月對04#鍋爐（型號：WNS7-1.0/130/70-Y（Q））回燃室前管板煙管角焊縫進行滲透檢測，經檢測普遍存在徑向裂紋，大部分裂紋已經擴展至焊接接頭根部，且部分存在管橋裂紋，共存在32處，裂紋最長40mm，且有明顯的泄漏痕跡，具體存在裂紋的有：1-3、1-4、2-2、3-3、3-4、4-4～6、5-1、5-3～4、6-1～2、6-6～8、7-1、7-6～8、8-1、8-7～8、9-2、9-12～14、10-1、10-15、10-16、11-14，注：位置標注為面對回燃室前管板，1-1表示左往右第1排第一根煙管角焊縫，以此類推，共計125根煙管角焊縫PT檢測（見圖1）。

圖1 鍋筒回燃室前管板煙管角焊縫滲透檢測和現場

（2）于2016年3月對01#和02#鍋爐（型號：WNS1.4-1.25-60/50-QT）回燃室前管板煙管角焊縫進行滲透檢測，經檢測普遍存在徑向裂紋，大部分裂紋已經擴展至焊接接頭根部，且部分存在管橋裂紋，共存在19處，裂紋最長30mm，且有明顯的泄漏痕跡，經檢測01#鍋爐存在：1#缺陷為煙管從外向內數第二圈右側從下向上第5個管座，2#缺陷為煙管從外向內數第二圈右側從下向上第6個管座，3#缺陷為煙管從外向內數第二圈右側從下向上第7個管座，4#缺陷為煙管從外向內數第三圈右側從下向上第3個管座，5#缺陷為煙管從外向內數第二圈右側從下向上第11個管座；02#鍋爐存在：1#缺陷為煙管從外向內數第一圈右側從下向上第19個管座，2#～7#缺陷為煙管從外向內數第二圈右側從下向上第10～15個管座，8#～12#缺陷為煙管從外向內數第三圈右側從下向上第6～10個管座，13#～14#缺陷為煙管從外向內數第四圈右側從下向上第3～4個管座。

2 裂紋產生的原因分析

2.1 煙管與管板間存有間隙

按臥式內燃鍋爐的制造技術，煙管外壁與管孔內壁間通常存在0.5～0.85mm的間隙，鍋爐制造時焊接前應先進行脹接，而部分鍋爐制造廠未進行預脹，管孔與煙管間存在較大間隙。運行時，鍋水滲入間隙形成環形水膜，鍋水受熱達到飽和溫度形成氣泡，間隙內水循環較差，氣泡逐漸變大形成氣膜，氣膜被加熱到一定程度后噴出間隙，鍋水隨之又填滿間隙，使管端及管孔壁受到急劇冷卻，致使管孔壁與管端傳熱惡化，在反復不斷的熱交變應力作用下，煙管管端靠近焊縫處產生熱疲勞裂紋，上述裂紋鍋爐通常都有厚度1～3mm以上的結垢現象，結垢后進一步惡化了回燃室前管板和煙管管端的冷卻條件[3]，如果鍋爐水循環不好，管板處的熱量不能及時被水帶走，管板就容易產生高溫疲勞裂紋。

2.2 煙管管端伸出焊縫長度過大

根據《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》（GB/T 16508—1996）及有關鍋爐制造技術標準的要求，當用于煙溫大于600℃的部位時，管端超出焊縫的長度不應大于1.5mm，而實際生產制造過程中，煙管管端超出焊縫長度大部分在2～5mm，高溫煙氣從爐膛進入回燃室，使管板成為高溫區，由于“人口效應”的影響，煙管端部和管孔周圍的管板接受的熱量是輻射和對流兩部分熱量的疊加，這就使煙管端部和管孔處管板成為高熱負荷區。一般進口煙溫可高達1200℃左右，而20#鋼的相變溫度臨界點為855℃，必須靠有效的冷卻使鍋爐煙管、管板的工作溫度不超過286℃[4]。由于煙管管端離鍋水最遠，煙管管端超出焊縫長度過長，造成管端無法得到有效冷卻，金屬璧溫升高，抗拉強度和屈服強度急劇降低，致使管端長期處于過熱狀態，金屬內部組織發生變化，從而產生熱應力裂紋[5]。

2.3 鍋爐回水未處理

水質管理不當或排污不及時會導致鍋水水質超標。上述案例鍋爐均為供暖系統設備，回水均未經過任何處理措施直接進入鍋爐，在使用過程中極易將管網、散熱器內部形成的銹蝕產物帶入鍋爐，并在鍋爐內沉淀積累，在內部檢驗時發現鍋爐大量結垢，特別是回燃室前管板處結垢明顯，局部厚達5～10mm，這些水垢才是管板裂紋的真正罪魁禍首。回燃室前管板內側結垢嚴重，引起傳熱惡化，管板溫度進一步上升，使管板與煙管承受了很大的溫差應力，水垢的導熱系數較鋼板低數十倍，使高溫煙氣沖刷管板不能迅速將熱量傳遞給鍋水，該部位金屬溫度升高，金屬抗拉強度下降。在正常壓力下，該部位金屬經受接近于它的屈服點的拉伸力產生裂紋。

3 預防措施

（1）強化水質管理。加強水循環，嚴格控制水質，合理配置水處理藥劑，使水質符合《工業鍋爐水質》（GB/T 1576—2018）標準的要求，有效降低水垢的形成。及時監控水垢情況，一旦發現結垢嚴重，及時徹底清除水垢，提高鍋爐效率。

（2）改善制造工藝。管板煙管孔內壁側開坡口，將煙管與管板進行貼脹，消除煙管與管板的間隙，使煙管管端伸出管板量盡量短，并使管端與角焊縫平齊，最大限度減少煙管管端的伸出量。

（3）調整鍋爐的火焰燃燒長度。在保證鍋爐出力條件下，火焰應盡可能短。可采用預混合或半預混合式燃燒來縮小火焰長度，增大爐膽熱強度，這樣可使回燃室的溫度相對較低，降低煙管管端溫度。