承壓蒸汽鍋爐煙管開裂原因

李朝輝, 蓋躍華

(深圳市質量技術監督評價事務所, 深圳 518000)

某藥廠購置的WNS15-1.25-Q型鍋爐為典型的臥式三回程燃氣蒸汽鍋爐(以下簡稱蒸汽爐)。該蒸汽爐自投入使用以來，采取“一備一用”的方式交替使用，運行約600 d后對鍋爐進行檢修，發現鍋爐煙管端頭處出現大量裂紋。

該蒸汽爐在投入使用一年多時,出現過防爆門過燒和煙室孔圈燒穿現象，采用重新砌筑耐火墻，將防爆門改為檢查門的方式進行了處置。

該蒸汽爐的主要設計參數、結構尺寸及材料為：額定蒸發量為15 t/h；額定蒸汽壓力為1.25 MPa；額定蒸汽溫度為194 ℃；給水溫度為20 ℃；耐壓試驗壓力為1.65 MPa；計算天然氣消耗量為1 293 Nm3/h。波形爐膽尺寸為1 200 mm×18 mm(外徑×壁厚)，L2(爐膽長度)為4 070 mm，材料為Q245R鋼；回燃室(燃盡室)尺寸為2 000 mm×18 mm(外徑×壁厚)，L3(鍋爐回燃室長度)為650 mm，材料為Q245R鋼；回燃室后管板尺寸為2 000 mm×18 mm(外徑×壁厚)，材料為Q245R鋼；蒸汽爐外形尺寸(長×寬×高)為6.65 m×2.76 m×3.23 m 。為查明該蒸汽爐煙管開裂的原因，筆者對其進行了理化檢驗以及熱力計算和結構設計校核分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

蒸汽爐煙管端頭宏觀形貌如圖1所示，由圖1可以看出，煙管管端部位有軸向穿透裂紋，裂紋從管端沿軸向擴展到角焊縫位置，裂紋透過角焊縫擴展至管板管孔內。現場實際測量得到：管頭伸出管板長度(管端至管板面距離)I為10～13 mm；管子與管板焊腳高度l1為3～4 mm；管子超出其與管板連接焊縫的長度l2為6～10 mm；焊腳寬度(徑向尺寸)l3為4～5 mm；管子中心距h為80 mm，管橋h1為10 mm；管端穿透(管壁)裂紋長度a1為15～20 mm；角焊縫上裂紋(沿徑向)長度a2為3～5 mm。

圖1 蒸汽爐煙管端頭宏觀形貌

煙管端頭斷裂成兩部分，在端面可觀察到深度不等的7條裂紋，且裂紋均穿透壁厚(見圖2)。圖2中箭頭所指部位表面有氧化皮和裂紋，并且氧化皮較厚。

圖2 煙管端頭裂紋和氧化皮宏觀形貌

1.2 掃描電鏡(SEM)分析

將斷口清洗后，用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，發現斷口仍存在較多的氧化皮，煙管斷口的微觀形貌如圖3所示。由圖3可知：裂紋從內表面向外表面擴展；斷口上有二次裂紋和弧形線，二次裂紋是從煙管端頭部位產生的；斷口上有較厚且致密的氧化皮；靠近管板焊縫位置的斷口上存在二次裂紋。根據斷口的特點，可以推斷斷裂形式為高溫熱疲勞開裂。

圖3 煙管斷口裂紋氧化皮微觀形貌

煙管端頭橫截面微觀形貌如圖4所示，由圖4可知：煙管端頭部位有多條裂紋，內表面裂紋數量比外表面裂紋數量多。

圖4 煙管端頭橫截面微觀形貌

將橫截面分為A～D 4個區域，4個區域的顯微組織形貌如圖5所示。A區顯微組織為鐵素體和3級球化珠光體[見圖5a)]；B區顯微組織與A區相同，珠光體球化程度達到3級[見圖5b)]；C區的顯微組織中出現少量的魏氏組織[見圖5c)]；D區的顯微組織為粗大的4級魏氏組織[見圖5d)]。

圖5 煙管端頭不同位置的顯微組織

2 熱力計算與結構設計校核分析

按照相關文獻[1-2]和標準TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》對蒸汽爐進行熱力計算和結構設計校核,同時對蒸汽爐現有結構分別按照蒸發量15 t/h和10 t/h進行校核，關鍵參數的計算結果如表1所示。

表1 蒸汽爐熱力計算與結構設計關鍵參數計算結果

對表1的熱力計算數據進行對比分析，得出結果如下所述。

(1) 按照蒸汽量15 t/h能力設計，制造單位生產的蒸汽爐在結構上存在嚴重問題。表1中15 t/h蒸汽爐的爐膽直徑為1.4 m，爐膽長度為6.2 m。WNS15-1.25-Q型鍋爐為定型鍋爐，國內多家鍋爐廠都生產該型號鍋爐，爐膽直徑均為1.4 m，爐膽長度均大于6 m。該次事故的蒸汽爐爐膽直徑僅為1.2 m，長度僅有4.07 m，總體結構尺寸均比國內同型號鍋爐的尺寸小。

(2) 蒸汽爐按照15 t/h的天然氣量運行，爐膽長度按照現有實際長度計算，回燃室溫度可達到1 350 ℃左右；三回程出口溫度超過300 ℃，高于設計的額定溫度；火焰長度達5.93 m，直接穿透鍋爐后側。在查驗維修記錄時，發現有設備在投產一年后，防爆門出現燒紅及孔圈燒穿現象，說明設備運行過程中火焰已經到達防爆門處，火焰溫度約達到1 400℃。

(3) 按照蒸汽爐的結構尺寸進行校核計算，該爐按10 t/h爐參數運行勉強符合要求，但爐膽長度不夠，回燃室溫度和排煙溫度均偏高。如果天然氣消耗量為800～900 Nm3/h，基本相當于10 t/h爐參數運行。如果天然氣流量超過850 Nm3/h，鍋爐仍存在安全隱患。

綜上所述，蒸汽爐原始結構設計存在問題，即爐膽尺寸過短。雖然爐體標牌是15 t/h的蒸汽爐，但實際總體結構基本屬于10 t/h的蒸汽爐結構，配備15 t/h的燃燒器，即燃燒室長度與燃燒機火焰長度不匹配。按照15 t/h的天然氣量運行，必然造成爐體部件燒壞和安全事故，且浪費天然氣原料；10 t/h蒸汽爐勉強可以在安全情況下運行，但仍存在安全隱患。

3 綜合分析

煙管斷面的顯微組織是鐵素體、球化3級珠光體和魏氏組織，顯微組織的變化說明煙管端頭溫度發生了較大變化，使珠光體中的碳化物發生了球化分解；魏氏組織的形成說明了煙管的端頭部位溫度較高，約在1 100℃以上，顯微組織發生相變。魏氏組織可降低材料的韌性。

斷口周圍沒有任何塑性變形，斷口上有較厚的氧化皮和二次裂紋，說明在高溫下產生脆性開裂。煙管端頭形成的魏氏組織降低了材料的韌性，增加了組織應力，可促進裂紋的形成與擴展。煙管端頭在工作載荷和組織轉變等應力的作用下出現開裂。

熱力計算證明，該蒸汽爐爐膽長度過小(僅有4 m長)。按15 t/h能力運行時，火焰直接燃燒到回燃室等相關部位，回燃室溫度高達1 400 ℃。煙管端頭形成的魏氏組織證明了煙管端頭的溫度較高，說明是煙管端頭發生了相變。回燃室管板沒有絕熱保護，煙管沒有保護端頭，從而導致煙管端頭溫度過高。

GB/T 16508.4—2013 《鍋殼鍋爐 第4部分：制造、檢驗與驗收》和JB/T 1619—2002 《鍋殼鍋爐本體制造技術條件》規定：當煙溫大于600 ℃時，管子超出其與管板連接焊縫的長度不應大于1.5 mm。該爐的管子與管板連接焊縫的長度超過6 mm。火焰直接燃燒管頭，使管頭溫度升高，管頭不僅承受組織轉變帶來的組織應力，還有溫度變化的熱應力等作用。

GB/T 16508.3—2013 《鍋殼鍋爐 第3部分：設計與強度計算》規定：相鄰焊接管孔焊縫邊緣的凈間距不宜小于6 mm；管子與管板焊接時“孔橋應使相鄰焊縫邊緣的凈距離不小于6 mm”。 該爐的管子中心距為80 mm，管橋為10 mm；焊腳寬度為4～5 mm。相鄰焊接管孔焊縫邊緣的凈間距幾乎為0 mm。管頭焊縫存在較大的焊接殘余應力也是造成管頭和焊縫部位開裂的另一個原因。

對失效機理、熱力計算與結構設計校核結果進行綜合分析，可以得出蒸汽鍋爐結構不合理是該蒸汽爐煙管開裂的原因。

4 結語

(1) 煙管端頭在高溫環境的作用下產生高溫熱疲勞開裂。

(2) 回燃室的管板和煙管端頭等均沒有設置絕熱保護，造成煙管端頭溫度過高。

(3) 該蒸汽爐煙管開裂的主要原因是鍋爐結構設計存在嚴重問題，爐膽長度尺寸過小，燃燒器與爐膛實際結構不匹配，均造成回燃室溫度過高，火焰直接燃燒管板和煙管端頭，使端頭位置的溫度過高。

(4) 鍋爐煙管端頭伸出管板過長、管間距過小、煙管端頭不整齊等加速了煙管端部開裂。