燃氣鍋爐回燃室煙管裂紋分析夏溪，桃慶，呂權(quán)晉，楊國祥**(1.云南省特種設(shè)備安全檢測研究院，云南昆明650228,2.昆明永裕安鍋爐工程有限責任公司，云南昆明650228)2022年4月，在對一臺臥式內(nèi)燃鍋殼濕背式燃氣鍋爐進行定期內(nèi)部檢驗時，發(fā)現(xiàn)鍋爐回燃室前管板高溫區(qū)有4根焊接煙管滲漏。企業(yè)因此被迫停產(chǎn)，造成一定的經(jīng)濟損失。本文對此煙管裂紋滲漏事故的原因進行了分析，并提出了處理建議和預(yù)防措施。1鍋爐概況鍋爐型號為WNS6-1.25-Y(Q),2022年01月制造，2022年05月投入使用，使用天然氣燃料。鍋筒材質(zhì)為Q245R,壁厚為14mm；回燃室前管板材質(zhì)為Q245R,壁厚為18mm；螺紋煙管材質(zhì)為20#(GB/T3087-2022),規(guī)格為：263.5mmX3.5mm。鍋爐煙管與管板連接方式為焊接連接。鍋爐的全自動水處理設(shè)備損壞半年，未修復。煙氣流程為3回程，高溫煙氣經(jīng)爐膽后部進入回燃室，轉(zhuǎn)180°后進入回燃室前管板二回程入口區(qū)域，經(jīng)過煙管到達鍋爐前管板二回程煙氣出口，再轉(zhuǎn)180°后進入鍋爐前管板左右側(cè)三回程煙氣進口，經(jīng)鍋爐后管板煙管出口進入煙箱、煙道、節(jié)能器，經(jīng)煙囪排入大氣。2檢驗情況鍋爐內(nèi)部檢驗時發(fā)現(xiàn)，鍋爐回燃室前管板高溫區(qū)有4根煙管有滲漏痕跡。為進一步查清缺陷損壞程度，對煙管及其角焊縫增加磁粉探傷檢查，回燃室前管板孔橋增加硬度檢測和金相檢驗。檢查情況如下：鍋爐爐膽頂部煙氣出口正上方有5排二回程煙管，回燃室前管板煙管（回燃室內(nèi)面對回燃室前管板）由上往下的第5排的由左往右的第7、8、9號（在爐膽煙氣出口正上方中部位置）及第4排第8號高溫區(qū)的煙管滲漏。肉眼可見4根煙管的管口有裂口或裂紋，但管板未發(fā)現(xiàn)變形。經(jīng)磁粉檢測，4根煙管管端及角焊縫上發(fā)現(xiàn)裂紋。其中，第5排7、8、9號煙管的裂紋長度分別為6mm、6mm、8mm,第4排第8號煙管裂紋的長度為12mm,但裂紋未延伸到管板上。煙管端伸出煙管角焊縫長度為0.5?1.5mm,符合標準和設(shè)計要求；管板硬度值為128-131HB,無異常；管板金相組織為珠光體和鐵素體，晶粒度8級，金相組織無異常。鍋筒內(nèi)水垢厚度為2?3mm,回燃室前管板孔橋間水垢厚度為5?6mm,給水管出口附近的煙管和回燃室前管板爐膽正上方管束區(qū)的水垢厚度局部達35mm。該企業(yè)水處理設(shè)備已損壞半年，未修復。鍋爐給水直接注入硬度值為9.4mmol/L的地下水。3原因分析1）回燃室前管板孔橋間及煙管管束區(qū)結(jié)垢嚴重。鍋爐運行時，爐膽內(nèi)天然氣燃燒產(chǎn)生800?900℃的高溫煙氣，經(jīng)爐膽后部進入回燃室。煙氣轉(zhuǎn)180。后進入回燃室前管板二回程入口區(qū)域，煙管及管板經(jīng)歷著輻射、對流和傳導的復雜傳熱過程，煙管及管板吸收高溫煙氣輻射熱和對流傳熱，同時傳遞給鍋內(nèi)水介質(zhì)。另一方面，煙氣以一定流速進入煙管后，將以對流換熱的形式將熱量傳遞給煙管。根據(jù)傳熱學原理，煙管入口處存在非熱穩(wěn)定狀態(tài)。對流換熱系數(shù)，從煙管的入口開始，在一定范圍內(nèi)是不同的。在入口處，由于氣體受到很大擾動，幾乎不存在熱邊界層，所以其局部換熱系數(shù)大于煙氣在管內(nèi)達到穩(wěn)定流動狀態(tài)后的換熱系數(shù)，因而管板上煙管入口處的熱負荷最大。鍋爐正常運行時，煙管及管板金屬受熱面很快將熱量傳遞給鍋爐中的水，金屬不會過熱。根據(jù)有關(guān)資料，水垢的導熱系數(shù)僅為金屬材料導熱系數(shù)的1/10?1/100,即0.1mm水垢的熱阻相當于加厚了鋼材幾毫米到幾十毫米。也就是說，水垢增厚會導致?lián)Q熱能力下降，使金屬壁溫升高，若超過材料允許的工作溫度，則會使金屬的機械性能下降。其次，水垢的存在，也會使燃料燃燒所釋放的熱量不能有效地傳遞到鍋爐水中。大量的熱量被煙氣帶走，排煙溫度升高，排煙熱損失增加，熱效率降低。為保證鍋爐正常供汽，就得加大火焰增強燃燒，提高爐膽內(nèi)的煙氣溫度，造成爐膽出口煙溫過高，甚至超過設(shè)計允許溫度，從而進一步加大煙管入口處的熱負荷，煙管口也會過熱被燒裂。外觀檢驗發(fā)現(xiàn)，爐膽前管板水垢厚度一般為5?6mm,給水管出口附近的煙管和回燃室前管板爐膽正上方管束區(qū)的水垢厚局部達35mm。煙管入口本來熱負荷就較大，由于較厚水垢的堆積，進一步增加了煙管入口的熱負荷，受熱面不能得到及時有效的冷卻，導致傳熱惡化。當煙管壁溫升高，在超過金屬材料允許使用溫度時，煙管管口過熱被燒裂，隨著使用時間的推移，管口裂紋就延伸至煙管角焊縫。2）管板管孔與煙管之間有間隙。焊接前后，如果間隙未消除，鍋爐運行時，間隙內(nèi)的水受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽滯留在間隙內(nèi)。在加熱過程中，滯留的蒸汽將會過熱，當?shù)揭欢ǔ潭葧r，蒸汽會噴出間隙；冷卻后，鍋水又進入間隙。此過程循環(huán)反復，使管板、煙管及焊縫金屬處于冷熱交變過程，形成熱疲勞源。在冷熱交變應(yīng)力的作用下，易產(chǎn)生裂紋傾向。其次，間隙的存在，煙管與管板之間會出現(xiàn)環(huán)狀水垢富集現(xiàn)象。沉積的水垢中含有三氧化二鐵及四氧化三鐵，與間隙金屬形成電位差，出現(xiàn)電化學腐蝕，使間隙進一步擴大，從而又加重了金屬材料開裂的傾向。3）溫差應(yīng)力的存在。由于鍋爐煙氣采用三回程方式，二、三回程煙管在鍋筒內(nèi)采用下上及左右布置，高溫煙氣進口在回燃室前管板，低溫煙氣出口在鍋爐后管板上，二回程有14排煙管，三回程有18排煙管。由于二回程的入口煙氣溫度一般在800?900℃,而三回程煙管出口煙氣溫度一般在20CTC以下，因此二三回程形成較大的溫差。再者,由于煙管及后管板各部位受熱程度不同，冷卻條件也不同，造成煙側(cè)和水側(cè)溫差過大，形成較大的溫差應(yīng)力。結(jié)果是造成金屬處于高應(yīng)力狀態(tài)下，這也是形成裂紋并擴展的原因之一。4）頻繁啟停鍋爐。據(jù)了解，該鍋爐因生產(chǎn)工藝原因，啟停爐較為頻繁，負荷不穩(wěn)定。管板與煙管采用焊接連接，存在焊接殘余應(yīng)力。壓力時高時低，溫度和壓力的頻繁波動，形成了較大的交變應(yīng)力。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，產(chǎn)生的裂紋會進一步發(fā)展。4處理建議由有相應(yīng)資質(zhì)的單位更換4根泄漏煙管，并注意以下幾個環(huán)節(jié)：1）修理單位應(yīng)編制修理方案。根據(jù)相應(yīng)的焊接工藝評定報告編制指導現(xiàn)場焊接的焊接工藝指導書或工藝卡，備齊合格的材料（管材、焊材）、工裝設(shè)備，焊工資料齊全且在有效期內(nèi)等；拆除煙管時，避免損傷管板或其他部件。2）對鍋爐內(nèi)部進行清洗，將水垢清除干凈。鍋爐受熱面被水垢覆蓋80%以上，水垢厚度21mm時，可采用酸洗方法進行除垢。酸洗除垢應(yīng)由專業(yè)清洗單位承擔，應(yīng)有可靠的工藝措施。清洗后應(yīng)檢查除垢情況，特別是管板的除垢效果，酸洗經(jīng)監(jiān)督檢驗合格。3）嚴格控制煙管管端伸出長度。更換煙管時，應(yīng)加強工藝控制，責任人員到位，嚴格執(zhí)行有關(guān)標準?！跺仛ゅ仩t》GB/T16508-2022第10.5.8條規(guī)定：焊接煙管在煙溫＞600（的部位時，管端超出焊縫的長度應(yīng)＜1.5mm；焊接煙管在煙溫＜600℃的部位時，管端超出焊縫的長度可放大至5mmo因此，回燃室前管板處的煙管端超出焊縫的長度應(yīng)控制在Wl.5mm，鍋爐前管板處的管端超出焊縫的長度可至5mm。4）相鄰焊接管孔焊縫間距?！跺仛ゅ仩t》GB/T16508-2022第9.4.5條、條規(guī)定：管板焊接孔橋相鄰焊縫邊緣的凈距離應(yīng)三6mm,若進行焊后熱處理，可不受此限制；管孔焊縫邊緣至扳邊起點的距離應(yīng)三6mm0施焊過程中應(yīng)加強控制。5）消除管板管孔與煙管之間的間隙?！跺仛ゅ仩t》GB/T除508-2022第9.4.7條規(guī)定：管板與600℃以上的煙氣接觸，其采用焊接連接的煙管或者拉撐管應(yīng)采取措施消除管孔與管子的間隙。修理時，管板與煙管焊接應(yīng)采取合理的焊接順序，減小焊接應(yīng)力；焊接前應(yīng)先輕度脹接，焊接完畢后再作一次貼脹，徹底消除管板與煙管的間隙。6）煙管角焊縫外形尺寸應(yīng)符合設(shè)計圖樣。咬邊深度應(yīng)＜0.5mm,焊縫和熱影響區(qū)表面不得有裂紋、夾渣、弧坑和氣孔等缺陷。施焊完畢，外觀檢查、100%表面無損檢測合格后，進行水壓試驗。5預(yù)防措施該鍋爐煙管產(chǎn)生裂紋漏水事故，主要原因在于管理人員和運行人員安全意識淡薄，未及時修復失效的水處理設(shè)備，長時間使用未經(jīng)處理的地下水源，導致鍋爐嚴重結(jié)垢。為保證鍋爐安全經(jīng)濟運行，綜合分析，提出以下幾點預(yù)防措施：1）加強水處理工作。修復失效的水處理設(shè)備；水處理人員應(yīng)取得相應(yīng)資格證書，根據(jù)規(guī)定時限和鍋爐運行情況化驗水質(zhì)，鍋爐原（生）水、軟化水及鍋（爐）水要達到《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》GB/T1576-2022標準的要求，做好化驗記錄。2）增強責任心和安全意識。司爐人員應(yīng)取得相應(yīng)資格證書，鍋爐管理人員應(yīng)加強崗位培訓和學習，嚴格遵守崗位職責，做好巡回檢查和自身監(jiān)督抽查工作，發(fā)現(xiàn)影響鍋爐安全運行的問題應(yīng)立即停爐并按規(guī)定報告，查明原因妥善處理后才能運行。3）降低鍋爐啟停頻率，減少負荷和壓力波動，使鍋爐平穩(wěn)運行；調(diào)整燃燒器火焰時應(yīng)符合鍋爐使用說明書的要求，防止爐膽內(nèi)火焰后移,避免爐膽出口煙溫過高或超過設(shè)計要求造成煙管口燒裂。4）鍋爐進水管座設(shè)計位置盡可能在水位計水連管與最上排煙管之間。鍋爐正常運行時，進水保護套管座浸在鍋水中，避免進水管座產(chǎn)生熱疲勞裂紋。同時，給水經(jīng)過進水保護套管得到預(yù)熱，減小給水溫度與鍋水溫度的溫度差，減小溫差應(yīng)力；避免鍋內(nèi)進水分配管出水管口直接沖刷鍋爐前后管板和爐膽前管板，在進水分配管上開均勻的出水孔,其流通截面積的總和不小于進水