WNS型燃氣鍋爐煙管裂紋的原因分析及優化措施

許衛民 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

鍋爐是一種能量轉換設備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學能、電能、高溫煙氣的熱能等形式，而經過鍋爐轉換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體。

鐵路行業從最初的蒸汽機車，到現今站段生活生產，鍋爐設備一直都發揮著重大的作用，它的安全運行，直接影響著鐵路運輸生產安全。

我們在集團公司管內某單位進行鍋爐定期檢驗時，發現了一臺WNS型臥式內燃鍋爐煙管存在多處裂紋的缺陷，現對裂紋的產生的原因進行分析，并提出了優化措施。

1 鍋爐概況

該鍋爐型號如圖1所示為WNS10-1.25-YC，為典型的三回程濕背式蒸氣鍋爐，鍋爐于1999年12月安裝投入運行，注冊代碼為11303300012002050246、設備使用證號為鍋浙OA0246、設備產品編號為WM6。該臺鍋爐額定出力為10 t/h、額定壓力為1.25 MPa、出口溫度為193℃、使用燃料為天然氣、水處理設備為全自動時間型鈉離子軟水器,是B級鍋爐。

圖1 鍋爐

2 檢驗過程

2.1 鍋爐資料審查

該鍋爐于2022年8月進行鍋爐檢驗，在現場檢查時發現該鍋爐銘牌清晰可見、安全閥和壓力表校驗報告完整無缺、運行期間水質化驗合格，鍋爐使用登記證和作業人員資質完備，鍋爐使用管理制度完整且已上墻，鍋爐建立完備的事故應急專項預案。

2.2 鍋爐外部檢驗情況

鍋爐在外部檢驗時，設備運行良好，高低水位連鎖保護裝置正常運動，無異常情況。

2.3 鍋爐內部檢驗情況

鍋爐內部檢驗時，我們對鍋爐主要承壓部件進行了相應檢查，受壓元件的外觀質量、結垢、結焦、積鹽、腐蝕、磨損、變形等進行了宏觀檢查，肉眼未發現異常。考慮該鍋爐使用年限較長，為提高檢驗的精準性，我們對鍋爐管板煙管采用了滲透檢測。

滲透檢測技術是一種以毛細管作用原理為基礎的無損檢測技術，主要用于檢測非疏孔性的金屬或非金屬零部件的表面開口缺陷。

通過滲透檢驗發現，該鍋爐后煙箱回燃室高溫區內煙管端部116根煙管中有52處可見細小縱向裂紋，如圖2所示，出現裂紋的煙管數量過半。其中部分裂紋已經通過角焊縫延伸至管板，如圖3所示。在部分煙管口，清晰可見地一條裂紋延展出來，如圖4所示。

圖2 煙管管口出現縱向裂紋情況

圖3 裂紋穿透焊縫向管板延伸情況

圖4 裂紋穿透焊縫向管板延伸情況

3 裂紋產生的原因分析

該鍋爐是鍋殼式三回程濕背式燃氣鍋爐。鍋爐運行時，燃料經燃燒器霧化后，形成的火炬充滿在全波形爐膽內，并通過爐膽壁傳遞輻射熱，此為第一回程。燃燒產生的高溫煙氣在回燃室內匯聚，轉向進入第二回程，即螺紋煙管管束區，經對流換熱后，煙氣溫度逐漸降低后至前煙箱，并在此轉向進入第三回程，即光管管束區，隨后經后煙箱進入煙囪，最后排入大氣。

故此產生裂紋的原因如下;

原因一，管端角焊縫部位熱應力大，煙管和管板受熱不均勻，管端煙氣入口處熱負荷最大，會因為受熱膨脹不均，在角焊縫連接部位產生很大的熱應力。

原因二，煙管與管板角焊縫應力集中，在制造或修理過程中，由于工藝的限制，造成局部應力集中，而存在很大的焊接殘余應力。

焊接殘余應力是構件還未承受荷載而早已存在構件截面上的初應力，在構件服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應力相互疊加，使其產生二次變形和殘余應力的重新分布，不但會降低結構的剛度和穩定性而且在溫度和介質的共同作用下，還會嚴重影響結構的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力

在鍋爐啟動、運行和停止過程中，承壓部件除承受介質的工作壓力外，還會因不同部件的熱膨脹變形量不同，煙管與管板的角焊縫部位承受不同的拉伸、壓縮和剪切作用。鍋爐運行中應力幅度的頻繁變化和應力集中，促使煙管與管板的角焊縫成為焊接結構的薄弱點。

原因三，高溫煙區內承壓部件，因為管口壁處的熱負荷高，鍋水溫度高，水中的碳酸鹽硬度物質的溶解度下降，容易沉淀析出，附著在金屬壁面而形成水垢會大大惡化鍋水對金屬壁面的冷卻效果，導致受熱面壁升高，力學性能下降。

原因四，閉塞區內的熱疲勞失效，煙管與管板焊接前的預脹不充分或不預脹時，管子外壁和管孔壁間就會不同程度存在一定的間隙。由于此間隙的存在會造成局部金屬過熱，再加上角焊縫根部應力集中，就可能在角焊縫根部或熱影響區產生裂紋，嚴重時裂紋可能擴展到角焊縫外表面，甚至延伸到管板上。

原因五，腐蝕疲勞加速裂紋的擴展，鍋爐運行時，微裂紋在交變熱應力和裂紋尖端的陽極溶解過程的共同作用下，會不斷擴展。

4 優化措施

（1）按TSG 11-2020《鍋爐安全技術規程》的要求對WNS系列鍋爐進行一二回程重點承壓部分進行檢測，加對易產生裂紋區的重點檢驗；

（2）根據鍋爐設計文件和TSG 11-2020《鍋爐安全技術規程》的要求，對局管內同類鍋爐設備受壓元件的連接，管孔布置，管道材料選用，焊縫布置以及脹接、熱處理，無損檢測方法和比例進行監督處理，保證在用鍋爐的安全運行；

（3）建議提供我局該類產品的的廠家對WNS系列鍋爐進行型式試驗，測試一回程管板受熱受壓情況，對不同使用年限的WNS鍋爐進行安全評估，把握鍋爐的使用壽命和使用情況，預測該系列鍋爐的焊縫情況，預測裂紋的發展情況，及時對鍋爐進行檢驗和維修，提高鍋爐檢驗的科學性，提高鍋爐使用的安全性；

（4）發現缺陷后，應協同專業生產廠家，鍋爐安裝單位，鍋爐使用單位及安監部門共同商討，解決處理好問題的同時，形成對鍋爐產生缺陷原因分析，結合鍋爐的使用現狀，給出鍋爐的維修維護保養意見和建議。

5 結束語

對常見典型的鍋爐進行檢驗時，應結合實際情況采用先進的檢驗方法，對鍋爐所用材料和鍋爐所處環境進行科學的分析，了解鍋爐裂紋發生常見區，了解裂紋發展的趨勢，初步判斷常見鍋爐的裂紋發展位置和裂紋發生機理，然后采取合理的優化措施，從而減少鍋爐在運行使用過程中的裂紋發生，避免重大鍋爐安全事故，并延長鍋爐的使用壽命。