一起余熱鍋爐煙管裂紋事故的成因及對策

劉 恒* 李杜偉 張井志

（1.泰安市特種設備檢驗研究院 2. 山東大學熱科學研究所）

0 引言

余熱鍋爐是化工企業常用的余熱回收裝置，在廢熱利用、節能降耗等方面有著重要作用[1]。某化工廠的廢水廢渣焚燒爐尾部煙道處裝設了一臺余熱鍋爐，型號為Q6.5/650-2.2-1.0，制造日期為2014年1月，并于同年4月投入使用，用于回收焚燒爐的余熱。其額定煙氣溫度為650 ℃，額定蒸發量為2.2 t/h，額定蒸汽壓力為1.0 MPa。2020年3月，檢驗人員對鍋爐內部進行檢驗時，發現高溫區管板發生泄漏，與管板連接的11根煙管角焊縫上存在裂紋，如圖1所示。缺陷分布情況如圖2所示。焊縫裂紋沿徑向開裂，長度為9～15 mm，并延伸至煙管，呈軸向開裂。

圖1 余熱鍋爐前管板煙管焊縫裂紋情況

圖2 前管板處裂紋煙管分布圖（黑色實心圓為裂紋煙管）

該余熱鍋爐上游裝置為化工廠的廢水廢渣焚燒爐。廢水主要成分為甲苯、甲醇和乙醇，廢渣則是生產廢料。筆者查閱運行記錄，近期焚燒爐排煙溫度為950 ℃左右。

該余熱鍋爐為B級鍋爐，管板材質為20 #，壁厚為16 mm。煙管材質為20螺紋管，規格為 51 mm×3.5 mm。

1 余熱鍋爐內部檢驗的過程

1.1 宏觀檢查

筆者對管板、煙管角焊縫進行滲透探傷（PT）檢測，發現裂紋從煙管管端貫穿焊縫，但均未延伸至管板。鍋爐的管板、煙管均有結垢層，且其厚度為3～4 mm，而其他位置（如鍋殼等）水垢厚為0.8 mm。清除水垢后發現，管板與煙管之間存在較大間隙，間隙距離為0.7～0.8 mm。現場管板與煙管連接結構如圖3所示。

圖3 管板與煙管連接處間隙示意圖

1.2 垢樣分析

1.2.1 水質化驗分析

該鍋爐采用鈉離子交換器進行水質處理。給水硬度為2.15 mmol/L，pH為8.16。依據GB/T 1576—2018《工業鍋爐水質》，該鍋爐水質不合格，給水硬度偏高。

1.2.2 垢樣分析

取出水垢并進行分析，結果表明，水垢中含有Fe3+，Ca2+，Mg2+，CO32-等，其成分為碳酸鹽與氧化腐蝕產物的混合物。

1.3 理化分析

1.3.1 金相分析

對管板進行粗磨、細磨拋光，再經4%（質量分數，下同）硝酸酒精腐蝕后進行金相檢測，結果如圖4所示。由圖4可知，金相組織為鐵素體+珠光體。根據DL/T 674—1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》可知，珠光體球化程度為5級，屬于完全球化。圖4中未見晶界氧化裂紋，未發現蠕變裂紋及石墨化現象。

圖4 管板金相分析照片（500倍）

1.3.2 硬度檢測

采用里氏硬度計對管板和焊縫進行硬度檢測后可知，管板硬度為97 HB，焊縫硬度為118 HB，參照DL/T 438—2016 《火力發電廠金屬技術監督規程》可知，兩者硬度均低于標準值。

2 裂紋事故原因分析

2.1 管板與煙管接頭處的間隙過大

該鍋爐曾于2019年10月更換全部煙管，根據出廠圖紙標示，煙管與管板之間的最大允許間隙為0.40 mm。煙管更換時有預脹工藝的相關記錄，實際煙管與管板開孔的實際間隙為0.7～0.8 mm，表明煙管預脹未能達到預期效果。因超標間隙的存在，煙管與管板焊縫處形成了極小的空間，而且這個空間更貼近高溫煙氣，溫度較高，空間內的水氣化而產生氣泡，形成汽空間。為了了解汽空間處的傳熱情況，采用ANSYS有限元分析軟件，模擬實際工況進行數值計算，進口煙氣溫度設定為950 ℃。建模示意圖如圖5所示。溫度場分布如圖6和圖7所示。

圖5 余熱鍋爐管板角焊縫有限元分析建模示意圖

圖6 角焊縫間隙未形成局部汽化的溫度場

圖7 角焊縫間隙形成局部汽化的溫度場

傳熱數學模型可采用如下描述：

（1） 連續性方程

式中：ui——速度分量，i＝x，y，z。

（2） 動量方程

式中：v——流體的運動黏度，i＝x，y，z。

（3）能量方程

式中：α——流體的熱擴散率。

一方面，由于氣泡附著在金屬壁面上，而金屬壁面不能及時冷卻，導致壁溫升高[2]。由數值計算結果可知，當間隙內充滿水時，焊接接頭水側的最小壁溫為380 ℃左右。當間隙內充滿氣泡時，焊接接頭的最小壁溫為750 ℃左右。當氣泡溢出后，水會繼續補充到間隙中。因此，由于間隙過大，鍋爐水在間隙內反復被加熱→汽化→溢出→補充→再加熱這個過程。角焊縫承受著交變熱應力，這就導致了金屬疲勞損壞。另一方面，隨著間隙內鍋水氣化蒸發，間隙內鍋爐水不斷濃縮，OH-濃度不斷上升。在交變熱應力和高濃度堿性環境的作用下，間隙處材料可能產生苛性脆化[3]，金屬強度下降，為裂紋的產生創造了條件。

2.2 鍋爐進口煙氣溫度超過額定值

基于金相和硬度檢測結果，鍋爐存在超溫運行的現象，管板此前曾長期處于超溫狀態。在運行記錄中，余熱鍋爐入口煙氣溫度為950 ℃左右，超過了鍋爐的額定煙氣溫度（650 ℃）。金屬長期在超溫狀態下連續運行，加速了珠光體球化，使材料硬度降低，甚至產生劣化。

2.3 結垢導致了傳熱惡化

基于水質化驗結果可知，該鍋爐給水硬度超標。在管板與煙管的間隙處，鍋爐水被蒸發后，水中的Ca2+，Mg2+，CO32-離子就以水垢的形式析出。水垢會堆積在間隙處，直到填滿角焊縫的間隙。水垢的導熱系數為1.31～3.14 W/（m·K），僅為鋼板導熱系數的0.03～0.07[4]，水垢會導致金屬傳熱惡化，阻礙金屬壁面及時冷卻。碳鋼的抗拉強度和屈服強度都急劇下降，在交變熱應力的作用下，焊口極易產生裂紋并不斷延伸。

3 建議措施

針對裂紋缺陷產生的原因，筆者認為，要有效地防止管接頭再次產生裂紋，應做到以下幾點：

（1） 更換缺陷煙管，采用正確的煙管與管板維修安裝方式。依據TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗規則》標準第2.6.3.1項的規定，因金屬疲勞產生的裂紋，只能采用挖補或更換部件的方式進行處理。更換過程中，應按照GB/T 16508—2013《鍋殼鍋爐》及圖紙的要求進行預脹，其最大間隙應不超過0.4 mm。

（2） 避免煙氣長期超溫運行。比如改變上游設備中化工廢水、廢渣爐的處理工藝，降低煙氣的溫度。或者在余熱鍋爐之前再裝設耐高溫的余熱回收裝置，確保鍋爐進口煙氣溫度不超過額定煙氣溫度。

（3） 加強使用過程中的水質監控管理，嚴格控制給水硬度。使用單位應全面檢查鈉離子交換器，保證交換器正常工作，使軟化水符合GB/T 1576—2018《工業鍋爐水質》的要求。并保證交換器擁有足夠的交換容量，滿足鍋爐補給水量的要求。且應配備持特種設備作業人員證的水質處理人員，定期化驗鍋爐給水、鍋水的各項指標。

4 結論

本文通過一起化工生產企業的余熱鍋爐管板角焊縫的事故案例，分析了裂紋產生的原因，依據TSG G7002—2015，TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》中的有關規定，提出了解決方案和預防建議，希望能為鍋爐的安全運行和預防此類事故提供參考。