鍋爐膜式壁鰭片管脹粗量檢測方法的研究與實現

沈華西，熊憶明，王俊杰，曹袁龍

江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院九江分院 江西九江 332000

1 序言

鍋爐檢驗檢測相關規范[1]中規定：當碳素鋼受熱面管脹粗量超過公稱直徑的3.5%、低合金鋼受熱面管脹粗量超過公稱直徑的2.5%時，應對相關部件及時更換。將管子脹粗納入檢驗檢測范圍，脹粗測量值作為一項判定管子是否需要更換的依據，可見管子脹粗量檢測方法研究的意義。

2 基本概況

鰭片管是將無縫鋼管和兩塊扁鋼對稱焊接在一起，膜式壁鰭片管是將許多根鰭片管沿扁鋼邊緣縱向依次焊接起來，組成一個整體，安裝時組與組間再用焊接密封，使爐膛四周被一層整塊的水冷壁膜片嚴密地包圍起來，構成了電站鍋爐的水冷壁膜式壁。該部件具有氣密性好、不漏風、不易結渣、傳熱效果好等優點，可由制造廠在車間焊接成組件出廠，具有制造高效、安裝方便等優點[3]。

鍋爐運行時水冷壁受高溫輻射，長時間處于高溫工況，鰭片管迎火面容易產生脹粗變形，嚴重時還會導致爆管[2]。脹粗屬塑性變形，外力去除后變形不會恢復至原來狀態，會呈現變形疊加狀態，管子壁溫越高，周向應力越大，脹粗就越明顯[4]。管子脹粗將導致管子壁厚減薄，承載能力下降，直至管子破裂，嚴重時會切割周邊的膜式壁管，危及周邊的膜式壁鰭片管甚至電站鍋爐的運行安全。

膜式壁鰭片管結構較為特殊，脹粗方向一般會垂直膜式壁方向，導致無法用傳統的管卡對脹粗后的管徑進行測量，給鍋爐的安全、尤其是電站鍋爐的安全帶來隱患。本文結合膜式壁的結構以及鍋爐現場檢測的條件，對膜式壁鰭片管脹粗量的有效測量及計算進行研究，解決了膜式壁因結構復雜而造成鰭片管脹粗量難以測量的問題，為鍋爐膜式壁鰭片管脹粗量的檢測提供一種快速、簡便、實用、有效的手段。

3 檢測方案及實施

針對膜式壁結構以及鍋爐現場檢測條件，提出了脹粗量檢測方案，在瑞昌某化工企業電站鍋爐檢驗檢測過程中，對膜式壁鰭片管脹粗量進行了現場檢測。

3.1 工裝夾具的設計

根據膜式壁鰭片管徑和管與管之間的間距，設計并制作了一類似卡箍的工裝夾具，其半圓直徑為70mm，直段為10mm，夾具中間使用塑性較好且易于貼合成形的橡膠泥，工裝夾具設計結構及實物如圖1、圖2所示。

圖1 工裝夾具設計結構

圖2 工裝夾具實物

（1）機械部分 類似卡箍的夾具，由304不銹鋼制作，厚度為4mm。電站鍋爐膜式壁鰭片管的管徑約為60mm，故設計制作直徑為70mm的半圓形卡箍。鰭片管之間的間隙一般在20mm左右，故該夾具兩邊直段各為10mm，方便操作。

（2）填充材料 使用塑性較好且易于貼合成形的塑性材料，該塑性材料應干濕適中。若干度較大，則材料硬度較高，不方便操作，難于成形；若濕度較大，則復刻后從夾具上取下時，易粘貼在管子上，難以得到理想的輪廓圓弧。本文采用主要以碳酸鈣等為原料的工業橡膠泥，由液體石蠟與甘油等配制而成，主要有以下特點。

1）不含防腐劑，油性成分使用的是液體石蠟，使用安全，無毒無臭，可塑性好。

2）室溫下幾乎不會蒸發干燥，易于成形，穩定性好，拓印輪廓不易變形。

3）操作容易，柔軟性好，不沾手。

4）添加有金屬皂成分，既可提高無機填料與油成分的親和力，又能提高粘土的粘性。

3.2 工裝夾具的應用

在膜式壁發生脹粗的鰭片管部位，操作人員手持夾具，將橡膠泥一側與鰭片管緊密貼合，用力擠壓夾具的金屬部分，使橡膠泥全部包裹該鰭片管圓弧部分，夾具的位置盡量選擇在脹粗最為嚴重的部位，其測量如圖3所示。

圖3 脹粗管測量

在夾具完成貼合后，用小刀去除夾具兩側因貼合鰭片管而擠壓出的橡膠泥，使夾具上下端面保持平整順滑，如圖4所示。

圖4 端面平整的脹粗管測量

3.3 脹粗量的檢測

當橡膠泥完成對脹粗部位的復刻后，輕輕地取下夾具，盡量保證輪廓圓弧的完整。將夾具端面平齊地固定在紙上，在貼合成形后的橡膠泥上，用筆畫出與脹粗部位幾何外形相同的輪廓圓弧，如圖5所示。

圖5 輪廓圓弧

此時所繪得的輪廓圓弧，可以通過三點定圓的方法，畫出一個圓，使該輪廓圓弧與其圓盡量重合，該圓直徑便可作為此鰭片管脹粗后的管徑D弧，如圖6所示。三點定圓方法能比較精確地測量脹粗量。經測量D弧為63mm。

圖6 三點定圓

現將圖6所測得膜式壁脹粗部位拓印的3個點，在Auto CAD繪圖模塊中，按1∶1比例還原，再利用Auto CAD中的3點畫圓指令，將所選取的點擬合為一個完整的圓，使該擬合而成的圓與拓印出的膜式壁脹粗部位的圓保持一致，再通過測量模塊，得出該圓的直徑為62.8mm，其結果與圖6手繪方法測量所得的63mm基本相等，如圖7所示。

圖7 Auto CAD的3點擬合成圓

通過資料審查，該膜式壁鰭片管材質為20G，D標為60mm（D標為鰭片管的標準直徑），通過公式：脹粗量＝D弧－D標，計算可得鰭片管的脹粗量為3mm，脹粗率為5%，因此必須更換該鰭片管。根據相關規范的規定[4]，碳素鋼受熱面管脹粗量超過公稱直徑的3.5%時，應對相關部件及時更換。

4 檢測內容分析

通過研究檢測方法，設計并制造出了一種工裝夾具，用來實現對膜式壁鰭片管脹粗量的檢測，該檢測方法快速且簡便，能夠實現以下功能。

1）設計并制造出了一種簡易的工裝夾具，用來拓印膜式壁鰭片管的外輪廓，以獲得鰭片管的輪廓圓弧。

2）工裝夾具設計及制作簡單、易于實現。針對電站鍋爐現場檢測具有攜帶方便、操作性強、適用性好等優點。該工裝夾具由兩部分構成：①機械部分類似卡箍的夾具，由304不銹鋼制作。②填充材料使用塑性較好且易于貼合成形的工業橡膠泥。

3）輪廓圓弧通過3點定圓，CAD三點擬合成圓，能快速、簡便、精確地測量鰭片管脹粗后的管徑D弧。

4）通過計算可得到鰭片管脹粗量及脹粗率，為實際生產中是否需要更換發生脹粗的膜式壁鰭片管提供可靠的理論依據。

5 結束語

本文研究的檢測方法實施后，可得到較精確的鰭片管脹粗量和脹粗率，并得出以下結論。

1）設計了一套工裝夾具，通過拓印鰭片管脹粗的外輪廓，解決了膜式壁鰭片管因結構復雜而造成脹粗量難以測量的問題。

2）為鍋爐膜式壁鰭片管脹粗檢測，提供了一種快速、簡便、實用、有效的手段。

3）可得到較精確的鰭片管脹粗量，用來指導實際生產中是否需要更換脹粗的鰭片管。