熱水鍋爐回燃室前管板開裂原因剖析

付 磊*

（北京市海淀區特種設備檢測所）

0 引言

目前，燃氣鍋殼式鍋爐是海淀區工業用鍋爐的主要形式，該鍋爐使用過程中回燃室前管板裂紋是最常見的問題。本文分析了一起管板裂紋事故產生的原因，并探討了預防和解決的方法，以最大限度降低管板裂紋發生的可能性，保證鍋爐安全運行。某單位安裝有 2 臺WNS2.8-1.0/95/70-Q 燃氣熱水鍋殼鍋爐，于2013 年11 月投入使用。2 臺鍋爐交替使用，每臺每年使用約1 500 h，燃料為天然氣，用水為樹脂軟化水，采用直供方式，投入使用后一直正常運行，內部檢驗只是發現鍋爐煙管、拉撐有輕微結垢和油污，可見處最大的結垢厚度小于0.5mm，不影響使用，該鍋爐本體也未修理過。2019 年11 月，鍋爐投入冬季采暖幾日后發現其中1#鍋爐后煙箱處淌水，立即停爐檢查，發現回燃室前管板開裂，鍋水已經從中涌出。鍋爐管板為20#鋼，厚度為16.0 mm，符合TSG 11—2019《鍋爐安全技術規程》要求。2017 年該鍋爐進行了低氮改造，更換了燃燒機，采用的是煙氣再循環改造方式。

1 管板裂紋問題

該鍋爐投用后未超壓運行，水質檢測也符合GB 1576—2018《工業鍋爐水質》中的熱水鍋爐水質標準，但更換低氮燃燒機后，由于排煙溫度降低，鍋爐的冷凝水明顯增多，在2018 年的內部檢驗中發現，鍋爐后管板存在明顯的冷凝水腐蝕，腐蝕層厚度約0.6 mm。在2018 年冬季供暖時，該單位供暖管道出現泄漏，由于漏點隱秘，兩周才找到泄漏點，期間鍋爐每天補水約80 t，期間軟化水水質也嚴重超標。

檢查后發現，回燃室前管板存在大面積冷凝水腐蝕，從上向下數第6 行第1 個管孔，第7 行第2 個管孔中央連接的孔橋發現裂紋，裂紋貫穿整個孔橋；斷裂孔橋附近覆蓋大片水垢，厚度約0.6 mm。打開人孔觀察鍋內水側，煙管外側附有一層白色水垢，厚度約1.0 mm；后管板水側也存在白色水垢，水垢厚度最大約1.3 mm，現場管板裂紋可見圖1。

圖1 管板裂紋

2 管板檢測和分析

2.1 管板測厚檢測

首先確認回燃室前管板的腐蝕狀況，對其進行超聲波測厚檢測，檢測之前已經對管板進行清理，測厚點附近銹蝕和污垢都已清除。測厚結果可見表1，測厚點分布可見圖2。

表1 測厚結果

圖2 管板測厚點圖

測厚結果表明，管板本身厚度沒有問題，但已經被冷凝水均勻腐蝕，腐蝕深度約1 mm。

2.2 垢樣分析

從鍋爐回燃室前管板水側取得垢樣，垢樣為分為2 層，底層為紅褐色銹蝕物，上部為白色水垢，其中摻雜少許銹蝕產物，對其進行分析后可知，垢中含有Fe3+、Ca2+、Mg2+、CO32-等離子，該垢樣應該是鐵銹和水垢的結合物。

2.3 無損檢測

對管板探傷時，射線探傷沒有貼片的位置，無法使用；由于管橋空間對探頭限制，超聲探傷也不適合；因為是鐵磁性材料，所以選擇黑磁膏磁粉探傷。對管板進行打磨后，通過磁粉探傷，除了已知裂紋處，未在其他位置發現裂紋。

2.4 金相分析

為了檢驗管板金屬組織是否產生相變，對裂紋附近的管板鋼材進行了金相檢查。管板的材質為20#鋼，正火處理，金相檢驗表明其組織為鐵素體和珠光體，符合20#鋼的特征，未發現過熱或者過燒的現象。其金相組織可見圖3。

圖3 管板金相圖

2.5 硬度分析

對裂紋附近的鋼材進行了硬度檢測，檢測結果如表2 所示，硬度點圖詳見圖4。

表2 硬度結果

圖4 硬度點圖

檢測點硬度均值為140.6 HBS。正火狀態的20#鋼硬度范圍為131～156 HBS，該管板硬度符合要求。

3 管板裂紋形成原因分析

3.1 腐蝕和結垢造成傳熱不良造成的裂紋產生

3.1.1 腐蝕產生

因為鍋爐更換為低氮燃燒機后，降低了排煙溫度；同時由于采用煙氣回收方式，使排煙溫度進一步降低。這就造成了煙氣中的水蒸氣（燃料為天然氣，主要成分為烷烴，燃燒過程會產生大量的水）大量的冷凝成水，沖刷管板造成了冷凝水腐蝕。腐蝕垢樣中產物分析含有Fe3+，其原因為溶解氧腐蝕。鐵被水中的溶解氧腐蝕是一種電化學腐蝕，鐵為陽極被腐蝕，氧為去極化劑發生還原反應，最終形成Fe3O4。

3.1.2 結垢產生

本身鍋爐水質合格時水垢產生極為緩慢，但由于系統漏水嚴重，該直供系統直接由鍋爐補水，補水量過大，軟化水系統超負荷，給水硬度硬度超標，鍋爐后管板的管孔區在“入口效應”的影響下，管板水垢激增?！叭肟谛笔侵府敓煔鈴暮鬅熛溥M入二回程煙管時，在煙管的入口處由于氣流受到很大擾動，熱邊界層變薄，所以在管孔區域的傳熱系數遠遠大于在煙管遠端穩定流動煙氣的傳熱系數。對于二回程管板，煙管管口處不僅受煙氣的輻射傳熱作用，還受到煙氣的對流傳熱，也就是管孔處是輻射和對流雙重傳熱處，而此處傳熱系數又極大，這就造成了管孔附近熱負荷比管板本身計算值要大的多，冷凝水和鍋內鍋水的蒸發量也更大，也就更容易凝結水垢。

3.1.3 銹蝕和水垢結合垢物造成傳熱不良

氧化鐵水垢的導熱性能很差，平均導熱系數為0.1～0.2 kcal/（m·h·℃），而鋼的導熱系數最低為40 kcal/（m·h·℃），氧化鐵水垢傳熱系數只有鋼的百分之一，結垢處的傳熱極差，很容易造成局部熱負荷聚集，管板處超溫，強度下降，產生缺陷。幾種垢物導熱系數對比情況可見表3。

表3 各種不同水垢的特性

3.2 閉塞區內的熱疲勞失效造成的裂紋產生

煙管與管板焊接前預脹不充分或不預脹時，水側管道外壁和管孔會存在細小的縫隙。鍋爐運行時就會有水滲入，在縫隙中形成一個環形水膜，由于被水垢與鍋水的主流場隔開，這里形成了一個閉環的水循環區域。由于火側的管孔區的受熱負荷很大，“過冷沸騰”首先就在此處發生。是氣泡不能自由地游離縫隙，逐漸長大后形成汽膜，管孔壁與煙管傳熱惡化，易造成局部過熱。隨著汽膜膨脹而破裂，然后再一次形成水膜，局部過熱金屬又被冷卻，周而復始，再加上角焊縫處應力集中，長時間運行后，就可能在角焊縫應力集中區產生微小裂紋。隨著時間延長，在熱應力反復交變作用下，微裂紋擴展成宏觀裂紋，造成管端的熱疲勞失效。

3.3 管板本身結構和煙管應力原因造成裂紋

由于管板上存在管孔，本身強度就會降低，管板內側會產生局部膜應力，加上管板平面的彎曲應力，尤其是在管孔不連續處，往往也是管板的應力集中處。如果管板鉆孔時應力消除不合格，則會給以后裂紋產生埋下隱患。該煙管與管板采用焊接連接，焊接往往會在根部產生局部塑形變形，形成難以消除的殘余應力。這種殘余應力本身就作用于焊縫內側。管板運行時，一邊是鍋水，另一邊是900 ℃左右的煙氣，管板兩側存在較大的溫度差，嚴重時管板甚至會發生扭曲變形，從而影響管孔處的密封性，因此管孔處是缺陷易生區域。同時，煙管也會產生熱應力。這個熱應力在起爐時為煙管受熱伸長時為拉應力，在停爐時為冷卻時的拉應力。而煙管兩端被焊縫約束固定住，這種一拉一壓的應力反復作用在煙管兩端的焊縫上，成為焊縫的拘束應力。這種應力從方向上來說是一種剪切應力，而焊縫對于剪切應力本身就承受有限，很容易造成管端角焊縫開裂。

3.4 裂紋產生原因總結

綜上所述，該裂紋產生是由于補水不合格造成管板結垢，與冷凝水腐蝕產生的鐵銹結合成氧化鐵，造成管孔處熱應力增大，再加上管孔處疲勞應力、管孔本身應力集中、煙管的剪切應力等各種因素的綜合作用，管端焊縫開裂，并在應力作用下，裂紋不斷發展，最終貫穿管橋，影響鍋爐安全運行。

4 改進措施

4.1 加強水質管理和加裝換熱器

更換老舊的供熱管道，防止供熱管網“跑冒滴漏”。加強水質檢測管理，保證水質符合GB 1576—2018 標準要求，防止水垢生成。還可以加裝除氧設備，除去鍋爐補水中的溶解氧，降低發生電化學腐蝕的概率。同時，停爐保養時要按照規程操作，防止停爐時產生腐蝕。還可以加裝換熱器，隔絕鍋爐與外網用戶，改成一次鍋爐房系統和二次外網系統，切斷外網對鍋爐的影響，徹底杜絕跑水等事故對鍋爐的影響。

4.2 在管板煙氣側加隔熱層

該方法在雙良臥式燃氣鍋爐的早期型號中應用較為廣泛，且效果不錯，加隔熱層的鍋爐極少出現管孔裂紋泄漏問題。加裝隔熱層就是鍋爐回燃室前管板煙氣側覆蓋了一層紅色的耐火水泥砌筑。具體做法是先刮去管板上的銹蝕和污垢，露出金屬光澤，刷上耐火漆；然后在管板間隙點焊若干鐵釘，最后把耐火水泥砌筑均勻涂抹在管板上即可。這個方法降低了管板的受熱溫度，基本解決了管板熱負荷過大的問題，同時也避免了管孔處鍋水濃縮和產生水垢的問題。這種方法需要注意的是耐火砌筑受到火焰烘烤和鍋爐震動的影響，耐火砌筑會部分脫落，因此要及時修補，防止脫落部分由于熱負荷集中而產生缺陷。

4.3 煙管管端加裝防熱管套

借鑒國外部分鍋爐的煙管管端保護措施，在管端加裝一個金屬保護套，延長煙管的長度，使“入口效應”先作用于管套而不是管端，改善管孔的熱負荷情況，減緩水垢生成，還可以避免煙管管端產生裂紋。

4.4 更改煙管與管板的連接工藝

早期鍋爐煙管與管板的連接按地域一般分為“南脹北焊”，即長江以北一般采用焊接形式，長江以南選擇脹接?，F在大多采用焊接。脹接和焊接各有優缺點。脹接工藝簡單，且由于有一定長度管道與管板緊貼，可以減小管板兩側的溫度差，但20#鋼在溫度為200 ℃以上時，材料的屈服極限有所下降，容易發生局部泄漏，當溫度超過350 ℃時，又將發生蠕變松弛，導致密封面失效。使用焊接方法雖然可以獲得較好的密封性能，可以使接頭承受較高的溫度和壓力，但在高溫循環應力作用下，易發生疲勞裂紋；且管板與煙管未焊接處存在縫隙，易發生積垢。針對以上兩種方法，脹焊結合的方法既保證了管端的密封性，又兼顧了盡量減少煙管與管板間縫隙的要求。

5 結語

本文對一起熱水鍋爐回燃室前管板裂紋事故進行分析，得出裂紋是結垢處過熱、疲勞裂紋、管孔本身結構缺陷等綜合原因所致。解決措施是最主要的是控制好水質，水好則垢少，甚至可以無垢；其次是優化管板受熱條件，加耐火砌筑和管套，避免過渡熱負荷；最后的管板與煙管連接方式改進只是探討，還需實踐進一步檢驗。