燃氣鍋爐回燃室煙管裂紋分析

夏 溪，桃 慶，呂權晉，楊國祥**

(1.云南省特種設備安全檢測研究院，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)

2021年4月，在對一臺臥式內燃鍋殼濕背式燃氣鍋爐進行定期內部檢驗時，發現鍋爐回燃室前管板高溫區有4根焊接煙管滲漏。企業因此被迫停產，造成一定的經濟損失。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防措施。

1 鍋爐概況

鍋爐型號為WNS6-1.25-Y(Q)，2018年01月制造，2018年05月投入使用，使用天然氣燃料。鍋筒材質為Q245R，壁厚為 14 mm；回燃室前管板材質為Q245R，壁厚為 18 mm；螺紋煙管材質為20#(GB/T3087-2008)，規格為：φ 63.5 mm×3.5 mm。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備損壞半年，未修復。煙氣流程為3回程，高溫煙氣經爐膽后部進入回燃室，轉180°后進入回燃室前管板二回程入口區域，經過煙管到達鍋爐前管板二回程煙氣出口，再轉180°后進入鍋爐前管板左右側三回程煙氣進口，經鍋爐后管板煙管出口進入煙箱、煙道、節能器，經煙囪排入大氣。

2 檢驗情況

鍋爐內部檢驗時發現，鍋爐回燃室前管板高溫區有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,但管板未發現變形。經磁粉檢測，4根煙管管端及角焊縫上發現裂紋。其中，第5排7、8、9號煙管的裂紋長度分別為 6 mm、6 mm、8 mm，第4排第8號煙管裂紋的長度為 12 mm，但裂紋未延伸到管板上。煙管端伸出煙管角焊縫長度為0.5～1.5 mm，符合標準和設計要求；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。

鍋筒內水垢厚度為2～3 mm，回燃室前管板孔橋間水垢厚度為5～6 mm，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的水垢厚度局部達 35 mm。

該企業水處理設備已損壞半年，未修復。鍋爐給水直接注入硬度值為 9.4 mmol/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結垢嚴重。鍋爐運行時，爐膽內天然氣燃燒產生800～900 ℃ 的高溫煙氣，經爐膽后部進入回燃室。煙氣轉180°后進入回燃室前管板二回程入口區域，煙管及管板經歷著輻射、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，同時傳遞給鍋內水介質。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。根據傳熱學原理，煙管入口處存在非熱穩定狀態。對流換熱系數，從煙管的入口開始，在一定范圍內是不同的。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大于煙氣在管內達到穩定流動狀態后的換熱系數，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。根據有關資料，水垢的導熱系數僅為金屬材料導熱系數的1/10～1/100，即 0.1 mm 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，水垢增厚會導致換熱能力下降，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，提高爐膽內的煙氣溫度，造成爐膽出口煙溫過高，甚至超過設計允許溫度，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。外觀檢驗發現，爐膽前管板水垢厚度一般為5～6 mm，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的水垢厚局部達 35 mm。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，間隙內的水受熱蒸發，產生的蒸汽滯留在間隙內。在加熱過程中，滯留的蒸汽將會過熱，當到一定程度時，蒸汽會噴出間隙；冷卻后，鍋水又進入間隙。此過程循環反復，使管板、煙管及焊縫金屬處于冷熱交變過程，形成熱疲勞源。在冷熱交變應力的作用下，易產生裂紋傾向。其次，間隙的存在，煙管與管板之間會出現環狀水垢富集現象。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200℃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，造成煙側和水側溫差過大，形成較大的溫差應力。結果是造成金屬處于高應力狀態下，這也是形成裂紋并擴展的原因之一。

4)頻繁啟停鍋爐。據了解，該鍋爐因生產工藝原因，啟停爐較為頻繁，負荷不穩定。管板與煙管采用焊接連接，存在焊接殘余應力。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力。隨著應力循環次數的增加，產生的裂紋會進一步發展。

4 處理建議

由有相應資質的單位更換4根泄漏煙管，并注意以下幾個環節：

1)修理單位應編制修理方案。根據相應的焊接工藝評定報告編制指導現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)、工裝設備，焊工資料齊全且在有效期內等；拆除煙管時，避免損傷管板或其他部件。

2)對鍋爐內部進行清洗，將水垢清除干凈。鍋爐受熱面被水垢覆蓋80%以上，水垢厚度 ≥1 mm 時，可采用酸洗方法進行除垢。酸洗除垢應由專業清洗單位承擔，應有可靠的工藝措施。清洗后應檢查除垢情況，特別是管板的除垢效果，酸洗經監督檢驗合格。

3)嚴格控制煙管管端伸出長度。更換煙管時，應加強工藝控制，責任人員到位，嚴格執行有關標準。《鍋殼鍋爐》GB/T16508-2013第10.5.8條規定：焊接煙管在煙溫>600 ℃ 的部位時，管端超出焊縫的長度應≤1.5 mm ；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 5 mm。因此，回燃室前管板處的煙管端超出焊縫的長度應控制在≤1.5mm，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。《鍋殼鍋爐》GB/T16508-2013第9.4.5條、9.4.6條規定：管板焊接孔橋相鄰焊縫邊緣的凈距離應 ≥6 mm，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 ≥6 mm。施焊過程中應加強控制。

5)消除管板管孔與煙管之間的間隙。《鍋殼鍋爐》GB/T16508-2013第9.4.7條規定：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，管板與煙管焊接應采取合理的焊接順序，減小焊接應力；焊接前應先輕度脹接，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符合設計圖樣。咬邊深度應 ≤0.5 mm，焊縫和熱影響區表面不得有裂紋、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 預防措施

該鍋爐煙管產生裂紋漏水事故，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備，長時間使用未經處理的地下水源，導致鍋爐嚴重結垢。為保證鍋爐安全經濟運行，綜合分析，提出以下幾點預防措施：

1)加強水處理工作。修復失效的水處理設備；水處理人員應取得相應資格證書，根據規定時限和鍋爐運行情況化驗水質，鍋爐原(生)水、軟化水及鍋(爐)水要達到《工業鍋爐水質》GB/T1576-2018 標準的要求，做好化驗記錄。

2)增強責任心和安全意識。司爐人員應取得相應資格證書，鍋爐管理人員應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督抽查工作，發現影響鍋爐安全運行的問題應立即停爐并按規定報告，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，使鍋爐平穩運行；調整燃燒器火焰時應符合鍋爐使用說明書的要求，防止爐膽內火焰后移，避免爐膽出口煙溫過高或超過設計要求造成煙管口燒裂。

4)鍋爐進水管座設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，避免進水管座產生熱疲勞裂紋。同時，給水經過進水保護套管得到預熱，減小給水溫度與鍋水溫度的溫度差，減小溫差應力；避免鍋內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管的流通截面積，減小溫差應力。

5)定期對鍋爐安全保護裝置進行功能試驗，特別是低水位報警和低水位聯鎖保護裝置的功能試驗，做好試驗記錄，防止缺水事故的發生。

臥式內燃鍋殼式燃氣鍋爐結構緊奏，占地面積小，傳熱快，熱效率高，安裝方便，隨著科學技術的進步，自動化程度越來越完善；鍋爐水處理工作是保障鍋爐安全和節能運行的重要環節之一，《鍋爐安全技術規程》規定了相關要求，工作中要認真履行職責，確保鍋爐安全經濟運行。