SH型锅炉防焦箱裂纹的原因及防方治法

王进

（南京市锅炉压力容器监督检验所，江苏 南京 210002）

我市1台SH10-25/400型水管锅炉的左防焦箱下降管口和防焦箱之间，距炉墙60毫米处发生裂穿漏水（具体位置和尺寸见图1），被迫停炉检修，停炉后在裂纹处取样作金相分析，试验结果，晶粒度为5至6级。

该炉是季节性生产，经检查，防焦箱壁没有产生腐蚀，厚度与原使用壁厚相同，内部无水垢，亦未发现严重的局部腐蚀现象，现对裂纹产生的原因作如下分析。

图2防焦箱前端部分的结构示意图。从图中可以看出，下降管入口处到防焦箱前端有900毫米，除370毫米嵌入前墙外，余下的530毫米暴露在炉膛里面，在这个区段内防焦箱是水平布置的，没有上升管，从下降管供给防焦箱的水直接向后流动上升到上集箱再流回锅筒，不可能流向集箱前部，造成在900毫米内锅水基本不流动，形成水循环中的一个所谓的“死角”，这部分锅水就成了所谓的“死水”。在高温作用下分层如图3所示，水的汽化层之所以形成图3那样的形状，主要是由于各部分受热程度不同和距下降管入口尺寸的大小密切关系。同时，蒸汽层的厚度又随着负荷的变化而变化，当锅炉负荷正常（一般在70-100%）时，这段防焦箱几乎不产生汽化，防焦箱的运行仍然是可靠的。当锅炉工况恶化（负荷过小或过大，或炉膛在较大正压下运行）时，该段防焦箱内形成明显的汽水分层，工况恶化程度越大，产生的蒸汽就越多，蒸汽层就越厚。炉膛内燃料燃烧放出的热量不断地辐射方式为主的传给防焦箱。由于防焦箱内上部是蒸汽，蒸汽的导热系数比水小得多，同时，蒸汽在这段防焦箱内不产生流动，由于蒸汽传热差，热量传给防焦箱后，防焦箱内恶化的程度变化，当负荷趋于正常时，锅水又会逐步充满整个防焦箱，由于水的导热系数比蒸汽大得多，热量被迅速吸收，壁温很快下降，这个过程经过多次重复，防焦箱壁就会因热胀冷缩产生的应力而产生疲劳裂纹，反复多次就会形成穿透性裂纹。这就是常常发生在蒸汽锅炉上的低周疲劳裂纹。

锅炉炉膛的热强度也是引起SHL型锅炉防焦箱产生裂纹的一个重要原因。国内燃煤锅炉的热力计算都是在一定的炉膛内基本上不产生汽化，即不会形成汽水分层，当炉膛在正压燃烧的情况下，炉膛温度势必提高。炉膛内温度一般在900℃以上，传热是以辐射为其主要方式，而辐射力（烟气单位面积在单位时间内对外辐射的能量）和烟气绝对温度的四次方成正比［绝对温度与摄氏温度的关系：

T°=t℃+273.15(°k)］即

E=C(T/100)4X4.1848 千焦/米2·时

式中 E-辐射力 千焦/米2·时；

T-烟气的绝对温度[°k]；

C-烟气的辐射系数千焦/米2·时；

从上式中可以看到，炉膛温度上升，烟气辐射力急剧增加，因防焦箱内部水循环的“死角”因接收的热量增多，汽水分层加剧，促使壁浊升高，为裂纹的生产创造了条件。

另外，材料的基本许用应力随温度升高而降低，当防焦箱温升高时，会产生裂纹，因防焦箱允许承受压力是按结构尺寸和一定温度下所能承受压力是按结构尺寸和一定温度下材料的许用应力决定的。温度增高，材料的基本许用应力下降，防焦箱所能承受的压力降低。若仍然保持锅炉的压力，则防焦箱的壁浊增加而箱壁应力就会超过材料的屈服强度，就有可能产生塑性变形。例如，某厂锅炉的设计压力是2.45Mpa，饱和水的温度是224.99℃，按有关标准的规定（这里暂不考虑过热器的压力降和安全阀动作压力的影响），防焦箱的设计壁温为饱和水的温度+80℃，即224.99+80℃=304.99℃。在此温度下，20号（即该炉防焦箱所用材料）钢的基本许用压力是11.85公斤力/毫米2。根据防焦箱的外观检查和金相试验判定，防焦箱裂纹处的壁温已超过450℃。若以450℃计，防焦箱的基本许用应力下降为6公斤力/毫米2，比正常工况下降低近1倍，这对许可工作压力的影响是极具严重的。

上面是从理论上分析了产生裂缝是由于防焦箱内的“死角”造成水循环不良，壁温升高，一定时间以后壁温降低，这种忽冷忽热导致了裂纹的产生。从实际情况看，也可以看到相同的结论。

第一，裂纹是横向裂纹，除三条裂纹穿外，其余均是多条发状裂纹，而横向裂纹是热应力疲劳裂纹的一个极其重要的特征。

第二，防焦箱壁外侧呈暗红色，内壁法兰，这是又一个重要特征。裂纹区的晶粒没有粗化，其温度没有超过相变温度，但是钢管壁法兰必须在400℃以上，证明工作温度是在400℃到相变温度之间。如上所述，防焦箱内如果没有产生汽水分层，其壁温是不可能达到法兰温度的。

为了发展SH型锅炉运行的可靠性，根据不同情况建议采取以下不同的措施。

第一，锅炉制造商厂对设计进行修改，有两种方案可供参考，一是将下降管入口由现在的位置向前墙方向移动，使其入口置于前墙附近（或嵌入炉墙内，或在炉墙外接入），由下降管供给的水在防焦箱受热部分能产生流动，防止汽水分层；二是在现设计的防焦箱前面（指下降管入口和前墙之间加装适量的上升管，也能起到防止汽水分层的作用。有的使用单位考虑将现有的上升管移一部分（即上集箱管子不增加，将防焦箱上升管移4-5根靠近前墙，也能起到同样的作用。

第二，锅炉运行采取措施控制负荷急剧波动，超负荷或低负荷的时间不能超过有关规定的要求，以免锅内过程恶化。同时，保持炉膛负压燃烧，防止防焦箱因负荷重而产生汽车分层。

第三，运行中锅炉，如果没有足够的时间停炉改造，可用耐火砖（或耐火泥）将防焦箱前面“死角”部分覆盖起来，避免直接接受炉膛的辐射热，从而减少了汽水分层的可能性。

[1]李韩生.锅炉防焦箱的改造[J].冶金动力，1988-08-15.