WNS型燃氣鍋爐高溫區(qū)煙管管端裂紋成因及預(yù)防措施

張永寧

摘要：wNs型燃氣鍋爐高溫區(qū)煙管管端開裂是該類型鍋爐一種典型的失效形式，文章從實際檢驗案例分析了wNs型燃氣鍋爐高溫區(qū)煙管管端裂紋的成因，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、使用管理等方面總結(jié)了預(yù)防wNs?型燃氣鍋爐高溫區(qū)煙管管端開裂的措施。

關(guān)鍵詞：wNs?型燃氣鍋爐：高溫區(qū)：煙管：裂紋：成因：預(yù)防措施

近年來，隨著國家大氣污染防治的持續(xù)推進，對鍋爐排放的環(huán)保要求也越來越高，燃煤鍋爐已經(jīng)退出歷史舞臺，wNs?型燃氣鍋爐得到廣泛應(yīng)用，?為城市帶來了清潔和便利。但是，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝以及使用管理?等方面的原因，該類型鍋爐在使用過程中會發(fā)生各種各樣的失效形式，其中高溫區(qū)煙管管端開裂現(xiàn)象頻發(fā)，嚴重影響鍋爐的安全運行。本文就?wNs?型燃氣鍋爐高溫區(qū)煙管管端裂紋成因及預(yù)防措施進行探討。

1.WNS?型燃氣鍋爐簡介

wNs?型燃氣鍋爐多為臥式內(nèi)燃三回程濕背式火管鍋爐，燃氣由燃燒器送人波形爐膽進行擴散燃燒，燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠跔t膽和回燃室進行對流和輻射換熱后，進人第二回程高溫區(qū)煙管繼續(xù)換熱，再經(jīng)過前煙箱折轉(zhuǎn)?180o進人第三回程煙管進行充分的對流換熱?[1]，最后經(jīng)后煙箱及煙囪排人大氣。該類型鍋爐采用全對接焊縫濕背式結(jié)構(gòu)，爐膽末端和二回程的起端與浸在爐水中的回燃室相連，回燃室也可以進行熱交換，高效利用受熱面，并且不存在耐火材料的更換問題，且鍋爐后管板也不受煙氣的直接沖刷。爐膽采用波形爐膽，吸熱強，熱伸縮性能良好，鍋爐前后均有觀火孔可觀察燃燒情況，同時配置低水位連鎖保護裝置、點火程序控制和熄火保護功能，確保鍋爐安全可靠運行。

2.檢驗案例情況

對徐州某樁業(yè)公司一臺?10t?燃氣鍋爐進行內(nèi)部檢驗，該鍋爐型號wNsL10-1.6-YO（L），2018?年?05?月投人使用，額定出口壓力?1.6MPa，額定出口溫度?204℃，檢驗時發(fā)現(xiàn)鍋筒內(nèi)結(jié)垢嚴重，覆蓋率達?90%?以上，最大厚度約?5mm，進人回燃室發(fā)現(xiàn)后管板有滲漏痕跡，在滲漏部位經(jīng)磁粉檢測發(fā)現(xiàn)?12?根煙管管端開裂，現(xiàn)場測量煙管管端超出角焊縫的長度在?1.5mm?以內(nèi)，且角焊縫成型質(zhì)量較好，表面未見氣孔、夾渣、咬邊等缺陷。

3.裂紋成因的分析

3.1鍋爐結(jié)構(gòu)原因：此類型鍋爐在結(jié)構(gòu)設(shè)計上該區(qū)域承受高溫?zé)煔獾臎_刷，爐膛出口煙氣溫度約?900o?C—1100℃左右，高溫?zé)煔鈴臓t膛進人回燃室，由于"人口效應(yīng)"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，使該區(qū)域成為高熱負荷區(qū)，是?單純穩(wěn)定流狀態(tài)下熱負荷的?3?倍以上，并且?20#?鋼的相變臨界點溫度為855℃?[2]，因此必須采取有效的冷卻措施降低材料的工作溫度。同時，煙管和管板在制造時采用單面焊結(jié)構(gòu)，角焊縫、管孔布置密集等結(jié)構(gòu)不連續(xù)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是裂紋產(chǎn)生的重要影響因素。

3.2鍋爐制造質(zhì)量原因：現(xiàn)有制造技術(shù)背景下，煙管外壁和管孔壁不?可避免存在一定間隙，鍋爐運行時，爐水滲人間隙形成環(huán)形水膜，造成此處局部熱負荷過高，爐水受熱汽化形成氣膜，導(dǎo)致管孔壁與管端傳熱不均?勻，造成管端局部過熱。間隙處爐水汽化后噴出，溫度相對低的爐水隨即?又填滿間隙，使管壁和管孔壁急劇冷卻，如此反復(fù)在交變熱應(yīng)力作用下，?煙管管端易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。此外，因爐水呈堿性，間隙內(nèi)的爐水高濃度濃縮，出現(xiàn)高濃度的?Na0H?溶液，加上交變的溫差應(yīng)力，已具備了發(fā)生苛性脆化的條件?[3]。

3.3使用管理不當(dāng)原因：該鍋爐間斷運行，啟停頻繁，由于燃氣鍋爐熱容積小，爐水降溫較快，鍋爐啟停頻繁時，回燃室溫度由運行時的1000℃左右迅速降到停爐時的?200℃左右，高達?800℃的溫差，受熱面反復(fù)經(jīng)受加熱和冷卻的交變熱負荷作用，易使管孔角焊縫應(yīng)力集中部位出現(xiàn)?熱疲勞，產(chǎn)生熱疲勞裂紋。檢驗時發(fā)現(xiàn)鍋筒內(nèi)結(jié)垢嚴重，覆蓋率達?90%?以上，最大厚度約?5mm，水質(zhì)化驗分析結(jié)果鍋爐給水硬度?0.68mmol/L，遠遠超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值≤?0.03mmol/L，導(dǎo)致鍋爐結(jié)垢嚴重。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)遠比金屬低，水垢的存在導(dǎo)致管板與煙管熱量傳導(dǎo)不均勻，材料過熱，沖擊韌性下降，同時產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生熱疲勞裂紋。另外，爐水從水垢的縫隙處滲人，在水垢與受熱面之間急劇蒸發(fā)，在水垢層下，?爐水被濃縮到很高的濃度，極易產(chǎn)生垢下腐蝕。

4.預(yù)防措施

基于上述引起煙管管端開裂原因的分析，為有效防止高溫區(qū)煙管管端開裂，可采取以下措施：

4.1從鍋爐設(shè)計角度考慮，為避免煙管管端過熱，降低回燃室管板熱負荷，在管板煙氣側(cè)加裝耐火隔熱層?[2]，以阻斷高溫?zé)煔獾闹苯記_刷，減少"人口效應(yīng)"的影響;煙管管端可以設(shè)計加裝耐熱短管，防止其因過熱疲勞開裂。

4.2從鍋爐制造角度考慮，煙管與管板的連接方式采用全焊透結(jié)構(gòu)，?以消除采用脹接方式存在的間隙問題，可借鑒德國菲斯曼公司的設(shè)計，采用"背水環(huán)"結(jié)構(gòu)型式?[2]，雙面開?U?型坡口，鈍邊為?1.5mm，內(nèi)側(cè)不焊，外側(cè)焊接，焊后進行消除應(yīng)力熱處理，該結(jié)構(gòu)降低了焊接殘余應(yīng)力，完全消除了間隙，焊縫強度有保證。另外，在制造時嚴格控制煙管管端伸出長度，防止煙管管端得不到充分冷卻而出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

4.3從使用管理角度考慮，做好水質(zhì)化驗，嚴格控制水質(zhì)硬度，及時監(jiān)測受熱面水垢情況，一旦發(fā)現(xiàn)結(jié)垢，應(yīng)立即采取機械除垢、化學(xué)清洗等措施清除水垢?[4];采用合理的鍋爐運行方式，杜絕鍋爐頻繁啟停，燃燒器火焰長度調(diào)整在合理范圍內(nèi)，要保證燃料在爐內(nèi)完全燃燒，且回燃室煙氣?溫度不超過設(shè)計值;提高司爐工業(yè)務(wù)操作水平能力，加強日常巡視，提高工作責(zé)任心，及時發(fā)現(xiàn)異常并處理消除安全隱患，確保鍋爐安全運行。

5.結(jié)束語

鍋爐是我國重要的熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中?wNs?型鍋爐因其結(jié)構(gòu)緊湊、熱效率高、操作簡單等優(yōu)點被廣泛采用。但是，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、使用管理等方面的原因，該類型鍋爐經(jīng)常發(fā)生高溫區(qū)煙管管端開裂安全隱?患。本文從實際案例出發(fā)，分析了開裂的原因并提出了預(yù)防措施，特別是在鍋爐運行過程中的使用管理工作尤其重要，完善的使用管理制度不僅可?以延長鍋爐使用壽命，更能取得較大的社會和經(jīng)濟效益，對鍋爐的安全運行具有重要意義。

參考文獻?;

[1]黃家瑤?.wNs?系列全自動燃氣鍋爐的性能特點介紹[J].工業(yè)鍋爐，2000?（4）：24-28.

[2]王明強，吳金星，王超，劉艷會.燃氣鍋爐煙管管端和管板裂紋分析及防止[J].中國特種設(shè)備安全，2016，32（3）：64-67.

[3]伍韶君，一臺?wNs?型蒸汽鍋爐煙管管端裂紋原因分析及其處理[J].工業(yè)鍋爐，2018（2）：63-67.

[4]任強，張麗麗.燃油燃氣鍋爐高溫區(qū)煙管裂紋事故分析[J].能源與環(huán)境，?2013（2）：24-26.