燃氣帶壓鍋爐裂紋產生原因分析

摘 要：鍋爐是一種能量轉換設備，工廠用燃氣鍋爐以天然氣為原料，將工質水轉換成蒸汽供工業生產使用。但長期高溫高壓運行時，鍋爐內部易產生裂紋，發生泄漏和爆管等事故。當鍋爐給水量及蒸汽產生量的比值遠大于1.2：1時，即表示鍋爐內部出現泄漏點，需及時停爐，維修檢查。基于此，細致地剖析了生產用燃氣帶壓鍋爐產生裂紋的主要成因，并據此提出預防措施，可為鍋爐安全運行提供參考，保證人身和設備安全。

關鍵詞：鍋爐；裂紋；成因；預防措施

中圖分類號：TK228" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）06-0075-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.020

0" " 引言

鍋爐是一種能量轉換設備，主要包含鍋和爐兩大部分，在爐內利用燃料燃燒產生的熱能將鍋內載熱流體加熱，產生高溫水和蒸汽，廣泛應用于電力、機械、化工、冶金等行業以及居民日常生活中。鍋爐內部結構主要由爐管、端板以及爐體組成，當鍋爐長期帶壓運行時，燃料在室內劇烈燃燒，受熱介質在鍋內吸熱升溫，溫度和壓力急劇上升，鍋內受壓部件同時承受介質的壓力作用和腐蝕作用。而在鍋的外部，因為火焰或高溫煙氣等的直接加熱，鍋爐承壓部件外部會因受熱而產生應力形變，并因燃燒產生的物質發生腐蝕和磨損，尤其是爐管、端板等處，因制造工藝、操作條件等容易產生裂紋，帶來安全隱患。本文細致地分析了鍋爐內部裂紋產生的原因，并提出了具體的預防措施，對保障鍋爐安全連續運行，維護我廠安全高效生產具有重要意義。

1" " 鍋爐裂紋的原因分析

1.1" " 鍋爐制造過程產生裂紋

大多數鍋爐采用奧氏體不銹鋼材質制造，不銹鋼合金元素會生成一層致密氧化膜，隔絕空氣中氧元素與不銹鋼的接觸，阻止其氧化金屬元素，達到防銹的目的。而研究表明，不銹鋼在氯離子的作用下，會產生應力腐蝕，失去防銹能力。當不銹鋼的溫度高于30 ℃，同時接觸了一定濃度的氯離子，即會產生應力腐蝕，溫度越高，所需要的氯離子含量越低。當溫度達到50 ℃以上時，微量含氯離子的水溶液就會對鍋爐造成腐蝕，產生應力腐蝕裂紋[1]。

鍋爐汽包在焊接制造過程中，滾圓和校圓筒節時，縱縫處焊縫的余高受輥擠而壓入筒節母材，易形成線性裂紋，而焊縫和母材過渡不平滑易造成應力集中，從而產生延遲裂紋，如圖1所示。

鍋爐內部，鍋爐管板處開有大量密集的管孔，當鍋爐制造過程中端板角焊縫處理不當時，角焊連接處極易成為裂紋產生的重災區，如圖2所示。

端板管孔與爐管之間的縫隙極小，焊接難度較高，如焊接時處理不好，易在管板的角焊縫處產生殘留應力，日后鍋爐長期帶壓運行易產生裂紋。故在鍋爐爐管焊接時應采用預漲焊的方法使管孔與爐管間隙盡量縮小，然后采用全焊形式防止裂紋產生。爐管伸出管端的長度也是一個導致爐管管端位置裂紋的關鍵因素，過長或過短都會影響爐管的使用壽命，如果控制不好，使得管子過多地伸出端板，管端受熱過度就會產生裂紋，并持續擴展至管板上。因此，爐管的伸出長度應控制在6～7 mm，不宜過長或過短，以保證爐管受熱均勻，減少裂紋的產生。管板上的角板拉撐焊縫會因制造工藝存在瑕疵而裂開，使平板管失去拉撐的支持，在鍋爐工作壓力不斷變化的情況下，管板近板邊圓弧根部位易因疲勞產生裂紋。

1.2" " 鍋爐運行過程產生裂紋

1.2.1" " 鍋爐給水不合格

我廠鍋爐以水為原料，為工藝生產提供蒸汽。鍋爐給水預處理是保證鍋爐安全運行的重要環節。我廠鍋爐給水一部分來自回收蒸汽所得冷凝水，一部分來自補充的軟化水，軟化水水質如表1所示。

如果鍋爐給水酸堿度控制不當，如表1所示，當pH＜7或pH＞10.5時，鍋爐表面的保護膜會因為溶解而遭到破壞，引起壓力管道腐蝕。腐蝕主要包括化學腐蝕和電化學腐蝕，腐蝕對爐管的損壞尤為嚴重，腐蝕發生的面積很大，一旦發生，需要大量更換爐管，不得不中斷生產，嚴重降低了生產效率。同時，爐管腐蝕還會使高溫蒸汽泄漏，造成人身燙傷等事故，嚴重時還會造成人員傷亡。

水質不好的另一個隱患是極易產生水垢，常見的水垢有碳酸鹽水垢、硫酸鹽水垢、硅酸鹽水垢、磷酸鹽水垢、混合水垢和銅垢。水垢的傳熱效率只有鋼材的幾十分之一，所以當水管內壁結垢時，燃料燃燒產生的熱量不能及時傳遞給水介質，會使得鍋爐受熱面局部溫度過高，爐管發生蠕變、鼓包，焊縫處產生裂紋，引起泄漏甚至爆管[2]。對于鍋爐管板，當此處因水質問題而積累厚厚的水垢后，傳熱系數就會增大，使管板處傳熱效率下降，受熱不均而產生裂紋。

鍋爐外殼底部處于爐膛的高溫區，鍋爐進水處理不好或加藥排污不及時，極易造成水垢、水渣堆積，使傳熱阻力系數變大，熱傳導受阻，造成金屬壁飛溫，強度下降。同時承受內壓的情況下，鍋殼會向外鼓包，發生破裂泄漏，嚴重時甚至會導致爆炸事故。水質不合格時，也會在爐膽內壁結成較多的水垢，造成傳熱受阻，金屬壁面受熱不均、強度降低，在內壓壓力下造成爐膽變形和鼓包。鍋爐給水管座及筒體連接處因鍋爐補水溫度與鍋內水的溫度差別較大，會產生溫差應力，從而產生裂紋；鍋爐未安裝給水套管，新鮮冷水進入給水管遇筒體角焊縫時會導致收縮，受到周圍鍋筒壁的拘束產生極大的拉應力而產生放射狀環形裂紋。

1.2.2" " 鍋爐除氧器失效

鍋爐給水未經除氧或除氧不徹底，極易造成爐內汽包或鍋爐水位線處、鍋爐底部、爐膽上方及管板、煙管等處溶解氧腐蝕。大型鍋爐除氧器對于減少水中氧氣對鍋爐內爐管的腐蝕（圖3）起著重要作用。我廠曾有一臺蒸汽鍋爐，現場檢驗發現此鍋爐內的二級除氧蒸發器、省煤器均已失效，且失效時間已一年有余。現場司爐人員仔細檢驗過后，認為在生產過程中鍋爐給水不加熱直接送入除氧器筒體，給水溫度只有100 ℃左右，遠遠低于額定給水溫度150 ℃。當100 ℃的給水遇到汽包內200 ℃左右的水時，汽包內溫度驟降，汽包壁將產生較大的溫差應力。冷水下沉，汽包底部受給水冷卻作用明顯，因此在汽包底部容易產生冷熱裂紋。后拆除已有鍋爐除氧器及附屬設施，重新安裝一套15 t/h鍋爐除氧器及附屬設施，運行至今未再發生問題。

1.2.3" " 鍋爐內部受熱不均

鍋爐作為一種常用壓力容器，材質多采用奧氏體不銹鋼，鋼材在制造過程中要經過焊接、熱軋、淬火等工藝流程，每道工序溫度控制均不同，溫度過高或過低都會導致板材出現裂紋。溫度過高易產生金屬氧化物或熔融晶體，從而產生過燒裂紋；當超過材料的臨界溫度時，會發生過熱裂紋；而冷卻裂紋較隱蔽，難以發現。過熱裂紋易于在金屬氧化物或熔融晶體內部迅速傳播，常在鍋爐長期運行后出現。局部過熱裂紋在宏觀表現上大小不等，存在晶界氧化劑及融化現象；在微觀上，會出現魏氏組織大面積覆蓋現象，同時還存在有Mn、S粒子沉淀。工業鍋爐鑄造過程受到焊接、軋制等熱處理工序影響，一旦加熱量超標，即會產生過熱裂紋[3]，為后續生產埋下安全隱患。

1.2.4" " 鍋爐外部鍋筒裂紋

鍋爐外部裂紋常在鍋筒外部縱縫處發現，沿縱縫兩側均有分布，深度可達3～5 mm。縱縫是指鍋爐筒體外殼由于上臺縫機和下臺縫機結合而產生的線縫，主要傳遞鍋爐內部壓力并承受自重。焊縫融合線及周邊區域是焊接接頭最薄弱的區域，晶粒相對粗大，塑性差，極可能出現焊接微觀缺陷，使得焊縫余高與鍋筒母材形成較大的突變臺階，導致應力集中。鍋爐外部筒體縱縫處的裂紋一般采用磁粉探傷發現，通過磁粉在縱縫可能存在缺陷的區域漏磁場中的堆積以檢測磁性材料表面或近表面是否存在缺陷的無損檢驗方式來檢測是否產生了裂紋。

2" " 鍋爐裂紋的預防措施

2.1" " 嚴格進行水處理

鍋爐給水前，可采用軟化處理、化學處理、氧化還原處理、離子交換處理等方法對水進行軟化處理，除去水中的鈣離子、鎂離子、硝酸鹽離子等物質，并調整水的酸堿度，使鍋爐用水水質達到表1的標準，同時控制水中的氯離子含量不大于20 mg/L，從而減少水垢的形成，保證鍋爐內受熱面的清潔，預防爐內結垢和發生腐蝕、堵塞等事故。

2.2" " 定期檢測

我國對特種設備——鍋爐的設計、制造、使用及維修等都制定了嚴格的技術要求，并有強制定期檢驗的規定。對燃氣鍋爐進行定期檢驗主要是對運行狀態下的鍋爐進行外部檢驗以及停止運行狀態下的內部檢驗和水壓檢驗[4]。

2.2.1" " 外部檢驗

檢測人員在對鍋爐外部進行質量檢測時，需要使被檢測的鍋爐處于運行狀態。外部檢測包括對管理制度的檢查、安全附件的檢驗、自控調節的檢驗以及對鍋爐本體、輔機及附件、水質的管理檢測等。外部檢測主要是確認鍋爐外表面是否存在銹蝕、組織疏松、凹凸不平及裂紋等問題，常借助放大鏡等工具進行觀察。一般情況下，鍋爐的外部檢驗一年一次，重點檢測鍋爐本體是否完好、對鍋爐的管理是否正常和鍋爐正在使用的狀況[5]。當司爐人員發現鍋爐給水量及蒸汽產生量的比值遠大于1.2：1時，即表示鍋爐內部產生裂紋，出現泄漏，需及時停爐，維修檢查。

2.2.2" " 內部檢驗

鍋爐內部檢測首先要使鍋爐停止運轉，進行冷卻并放水。內部檢測要點是檢查鍋爐是否起槽，爐管及端板是否變形、結垢或腐蝕，如發現鍋爐內部出現深紅色或褐色水垢，或者管子出現點狀腐蝕穿孔以及大面積潰瘍式腐蝕，說明鍋爐發生氧腐蝕。內部檢測可借助多種方法，例如磁粉檢測、射線檢測、超聲波檢測和著色探傷等。磁粉檢測主要適用于磁性材料設備，其基本原理是在磁性材料被磁化以后，出現了不連續的存在而使得工件的表面及近表面磁力線發生改變，產生漏磁場，吸附工件表面的磁粉，借助光照會產生磁痕，因此可發現受損的區域；射線檢測主要通過可穿透射線穿透被測鍋爐部位，根據射線的衰減、投射射線的強度變化來判斷此部位是否發生了缺陷、確認缺陷大小。

內部檢測一般兩年一次。我司在用鍋爐內部檢測時多采用著色探傷，如圖4所示。著色探傷一般也稱為“滲透檢測”，是一種無損檢測方法，通常被用來檢測裂紋。比如鍋爐運行過程中在管板、管板與煙管焊接處等易產生裂紋，此類裂紋產生后會由外向里延展，甚至穿透管板，從而導致泄漏。裂紋細小，肉眼難以察覺，在實際檢測過程中就需要借助著色探傷來發現裂縫，進而采取補焊等方式解決問題。

2.2.3" " 水壓檢驗

水壓試驗是一種安全有效的鍋爐檢驗方法，其通過觀察來檢測鍋爐封閉性及受壓部件的強度。水壓試驗易于操作、簡單方便，同時主要介質——水取用方便，不損壞受壓元件，安全經濟。檢測人員應仔細檢驗鍋爐遭受水壓后各部件的嚴密性，鍋爐外部各部件的表層、焊縫部位是否出現滲漏或變形，要嚴格把控保壓時間及保壓時的壓降取值情況。水壓試驗一般三年進行一次。

3" " 結束語

在工業經濟發展過程中，鍋爐發揮著重要作用。但在鍋爐制造和運行過程中，受軟化水不達標、鍋爐水管內壁結垢導致受熱不均及干燒等因素影響，鍋爐會出現裂紋、泄漏、堵塞甚至爆管等問題，產生安全隱患。因此，為了使鍋爐運行安全性進一步提高，應采取科學的檢驗措施對鍋爐進行檢驗，及時發現鍋爐存在的問題，對其原因進行分析，排除隱患，保障工藝生產安全有效進行。

[參考文獻]

[1] 符有輝.不銹鋼蒸汽鍋爐裂紋原因分析[J].山東工業技術，2017（16）：9.

[2] 李志清.燃氣承壓熱水鍋爐裂紋原因分析[J].化工管理，2015（35）：31.

[3] 李占斌.工業鍋爐檢驗中裂紋問題探究[J].海峽科技與產業，2017（9）：122-123.

[4] 王曉波.探究鍋爐范圍內的壓力管道檢驗中的裂紋問題與建議[J].科學技術創新，2020（12）：193-194.

[5] 白巖.鍋爐檢測方法分析與探討[J].山東工業技術，2017（8）：37.

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：宋軍（1986—），男，山東人，助理工程師，研究方向：特種設備維護監管。