卧式内燃三回程锅炉管板及管口破裂失效成因及预防

莫志生 彭浩斌

摘要：本文通过对一起WNS4-1.0-Y型锅炉的后管板管口裂纹事故处理，剖析锅炉管口管板裂纹成因，研究破裂失效机理，进而提出相应的预防措施和改进方法。

关键词：锅炉管板 烟管 裂纹 裂纹事故 失效机理

锅炉为生产、生活提供热量、动力，应用广泛。其中卧式内燃三回程使用广泛。

运行中，WNS型号的锅炉较发生管板开裂是最常见的失效形式。下文将通过分析一台WNS型锅炉后管板开裂事故的原因，研究这类型锅炉烟管、管板破裂失效机理，探讨有效的預防措施和改进办法。

1 事故概述

本案例中锅炉使用0#柴油，按照上式进行校核时，炉膛出口温度为950℃。同时，烟气折返时在入口处形成很大的扰动，管口位置的放热系数远大于其他部位的烟气系数，产生较大的温差应力，交变热负荷加大。

另一方面，图1可见，烟管管口伸出锅炉本体，管口到锅水之间的传热距离长，容易超温工作；但停炉时，管口降温速度快于管子。所有这些条件综合起来，这个位置的管板、管口容易产生裂纹。

除了受热条件恶劣外，导致管板开裂还有以下原因：

①制造质量不合格

未消除管子与管孔的间隙（见图1中的δ）。

为便于装配，管板加工时，开孔内径一般比管子外径大1mm，如焊接前不合格胀管，装配完毕后，管子与管孔内壁间留有0.5mm的间隙。该间隙的存在对锅炉的运行产生不良影响，导致管孔过热。运行时候间隙中的水被加热成水蒸气但不易从缝隙中溢出，造成该处过热。另外间隙中产生的水蒸气即使逸出，炉水及时补充。但过程中该处反复逸出、冷却产生热疲劳裂纹。另外由于炉水一般保持一定的碱度。在间隙中锅水流动不畅被不断浓缩，超过锅炉安全运行允许的限值，该处容易发生苛性脆化。

此外，角焊缝如果在焊接中有缺陷，管口末端外伸过长造成管口部分长期超温，或长期承受交变热应力容易发展成为裂纹。

②运行不当

锅炉运行时水处理不合格，锅水碱度高，更易造成苛性脆化。此外频繁启停锅炉令管口承受交变热应力加大或停炉时骤然打开烟室门，管板和管口承受更大的降温温差应力；启动时吹扫时间不足，在炉膛中发生爆燃冲击管板；炉膛里面堆积烟灰和灰垢减弱热交换，使得第二回程入口烟温超过设计值。

3 预防办法

针对上述裂纹产生的原因，可采取如下的措施加以预防：

①正确选择炉膛出口温度，在后管板烟气第二回程入口装设隔热蒸馏装置，一方面隔绝高温烟气直接与管板接触，有效降低管板温度，避免过冷沸腾，减少锅炉内局部锅水浓缩和结生水垢的危害；另一方面也避免了高温旋流烟气对管子端部的磨损，再有是保证角焊缝质量消除焊缝缺陷、在焊前预胀管，消除管子与管孔间间隙，有条件的焊后应进一步施胀，即采用“胀→焊→胀”工艺，以消除焊接应力。《锅壳锅炉本体制造技术条件》（JB/T1619-2002）规定：“对于与600°C以上烟气接触的管板，焊接连接的烟管和拉撑管应采取消除间隙的措施”。制造时控制管子伸出角焊缝的长度。参照《锅壳锅炉本体制造技术条件》（JB/T1619-2002）的规定：“a.当烟温大于600°C时，不应大于1.5mm；b.当烟温不大于600°C时，不应大于5mm。”

②锅炉运行中加强锅炉水质监控，正确排污，确保锅炉水质达标、避免频繁启停锅炉，停炉时缓慢冷却、定期清灰垢、启动时保证吹扫时间避免爆燃。

③定期检测，发现问题及早处理。

按规定，锅炉应每两年进行一次内部检验。对投用时间过长，锅炉水处理不好，有维修记录的锅炉，应相应缩短定检周期，如发现管板、管口有微小裂纹的，可以及早进行处理。

4 本例管口、管板裂纹的处理

从上述的分析可知，本例中锅炉管板的金相组织并没有劣化，锅炉内部水垢并不严重，经检查，管口端部超出角焊缝顶部超过1.5mm，由此判断该裂纹产生的原因为锅炉在工作中，管口长期超温，发生热裂纹，然后向管板、管壁扩散开裂。

在处理方面，采取了更换发生裂纹的管子，修补管板裂纹的处理。鉴于该锅炉95年投入使用至今接近20年，使用单位制定了每半年自行进行一次内部检验的使用制度。

5 总结

管口、管板在运行中产生裂纹，是WNS型锅炉常见的失效形式，轻者导致停炉，重者造成人员伤亡。裂纹产生的原因很多，有设计失误、制造质量不过关方面的，也有使用不规范、水处理工作不到位等，实际工作中可采取相应的措施加以预防。

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